基于I2C總線的音頻處理芯片設(shè)計(jì)

陶霞菲

(浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

隨著音響的普及，越來(lái)越多的智能型音頻處理芯片被使用。這種智能型芯片大都是通過(guò)總線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。本文設(shè)計(jì)了一種基于I2C總線的音頻處理芯片，通過(guò)I2C來(lái)控制音量、音調(diào)、平衡度和響度。

1 芯片功能與原理

1.1 芯片功能

該芯片具有音量、音調(diào)(低音、高音)、平衡度(左、右)和響度(前、后)控制的音頻處理電路，適用高品質(zhì)的汽車(chē)收、放音機(jī)和高保真的音響系統(tǒng)中；提供了輸入增益選擇和外部響度控制功能；所有的控制均通過(guò)可與微機(jī)連接的串行I2C總線來(lái)操作；通過(guò)外接阻容網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部運(yùn)放的配合，可設(shè)置各種交流幅頻特性。具有以下主要特點(diǎn)：

(1)含有輸入多路選擇器：3路立體聲信號(hào)輸入；輸入增益可設(shè)置為與各種信源進(jìn)行最值匹配。

(2)四聲道衰減器：4個(gè)聲道可獨(dú)立控制，對(duì)平衡度和響度進(jìn)行每級(jí)1.25 dB的衰減和提升，獨(dú)立的靜音控制功能。

(3)所有的功能均通過(guò)串行I2C總線控制。

(4)有響度控制功能。

(5)音量控制每級(jí) 1.25 dB。

(6)高音和低音控制。

(7)輸入端與輸出端可與外部均衡器和噪聲抑制電路匹配。

1.2 芯片內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)

內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2.1 時(shí)序

(1)I2C總線接口[1-2]

微處理器與芯片之間的相互數(shù)據(jù)傳送與交換通過(guò)2線的I2C總線實(shí)現(xiàn)。該總線界面含有數(shù)據(jù)(SDA)和時(shí)鐘(SCL)2個(gè)端子，此2端子都必須接上拉電阻至正電源。

(2)數(shù)據(jù)的有效傳送

如圖2所示，SCL時(shí)鐘線為高電平時(shí)，SDA數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)才允許變化。

圖2 SDA與SCL之間關(guān)系

(3)起始和結(jié)束狀態(tài)

如圖3所示，起始狀態(tài)的標(biāo)志是SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平轉(zhuǎn)換；結(jié)束狀態(tài)的標(biāo)志是SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平轉(zhuǎn)換。

圖3 起始與結(jié)束時(shí)的狀態(tài)

(4)字節(jié)的構(gòu)成

通過(guò)SDA數(shù)據(jù)線傳送的每個(gè)字節(jié)必須是8位，每1個(gè)字節(jié)之后必須緊跟1個(gè)應(yīng)答位。字節(jié)的最高位最先傳送。

(5)應(yīng)答信號(hào)

主控制器(單片機(jī))在應(yīng)答時(shí)鐘脈沖期間將SDA數(shù)據(jù)限制為高阻態(tài)的高電平。被控制器件在應(yīng)答時(shí)，必須在應(yīng)答時(shí)鐘脈沖期間將SDA數(shù)據(jù)線拉為低電平，并在此脈沖期間一直保持為低電平。

已進(jìn)行地址編碼的音頻處理器在收到每1個(gè)控制字節(jié)信號(hào)時(shí)，都必須給出應(yīng)答信號(hào)；否則，SDA數(shù)據(jù)線在應(yīng)答時(shí)鐘脈沖期間將維持在高電平，這時(shí)，主控制器將會(huì)發(fā)出停止信號(hào)以中斷信號(hào)的傳送。

1.2.2 接口協(xié)議

(1)傳輸起始條件。

(2)地址碼。電路在每次收到1個(gè)字節(jié)的傳送信號(hào)后，必須給出1個(gè)應(yīng)答信號(hào)。

(3)數(shù)據(jù)信號(hào)的順序(N個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)+應(yīng)答信號(hào))

(4)傳輸結(jié)束條件。起始狀態(tài)的標(biāo)志是SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平轉(zhuǎn)換；結(jié)束狀態(tài)的標(biāo)志是SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平轉(zhuǎn)換。

(5)傳輸格式如圖4所示。

1.2.3 音量控制

音量大小根據(jù)需要通過(guò)音量控制電路隨時(shí)調(diào)節(jié)，其線路結(jié)構(gòu)如圖5所示，是由2個(gè)衰減器單元和緩沖器組成。衰減器單元包括電阻和模擬開(kāi)關(guān)[3]。衰減器A在0～70 dB范圍內(nèi)每級(jí)衰減10 dB。衰減器B在0～8.75 dB范圍內(nèi)每級(jí)衰減1.25 dB。合計(jì)衰減量為0～78.75 dB，每級(jí)1.25 dB。

1.2.4 音調(diào)控制

音調(diào)是指具有特定且通常是穩(wěn)定高音的信號(hào)（聲調(diào)高低的程度）。它主要取決于頻率和聲音強(qiáng)度。頻率高的聲音人耳的反應(yīng)是音調(diào)高，而頻率低的聲音人耳的反應(yīng)是音調(diào)低。

音調(diào)控制[4]包括高音音調(diào)控制和低音音調(diào)控制兩部分。音調(diào)控制實(shí)際上是高、低通線路，通過(guò)調(diào)節(jié)頻率特性曲線就可以達(dá)到調(diào)節(jié)音調(diào)的目的。

高、低音音調(diào)控制結(jié)構(gòu)分別如圖6、圖7所示。

1.2.5 響度控制

響度控制的作用是低音量時(shí)提升高頻和低頻聲。由于人耳在低音量時(shí)對(duì)高頻聲、特別是低頻聲的聽(tīng)覺(jué)靈敏度差，在小音量下，對(duì)低音和高音的聽(tīng)音靈敏度遠(yuǎn)比中音低，這樣便感覺(jué)樂(lè)曲低音不豐富，高音不明亮，相對(duì)會(huì)感到中音的輸出大，這對(duì)必須在小音量下聽(tīng)音來(lái)說(shuō)很不理想。要求在低音量時(shí)對(duì)高頻和低頻進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)補(bǔ)償，即要求對(duì)低頻有較大提升，對(duì)高頻也有一定量的提升。可以引入響度補(bǔ)償電路，該電路能在小音量時(shí)提升低音、高音的音量，響度補(bǔ)償也稱等響度控制。

等響度控制如圖8所示，等響度抽頭連接在第8級(jí)處。等響度可以通過(guò)控制I2C總線設(shè)置是否打開(kāi)以及等響度的程度來(lái)控制。

圖6 高音音調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖

圖7 低音音調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖

圖8 等響度控制結(jié)構(gòu)圖

1.3 應(yīng)用線路

總體應(yīng)用線路圖如圖9所示。該芯片廣泛應(yīng)用于汽車(chē)音響、CD、VCD 等有音源的處理系統(tǒng)中。可接3個(gè)音源設(shè)備，輸出4個(gè)通道。

2 測(cè)試結(jié)果

該芯片采用CMOS工藝，經(jīng)過(guò)流片、測(cè)試。測(cè)試結(jié)果分別如圖 10～圖 13所示。從圖中可以得出，總諧波失真小、信噪比高、噪聲低、分離度高。

本文介紹的基于I2C總線的音頻處理芯片，該芯片具有音量、音調(diào)(低音、高音)、平衡度(左、右)和響度(前、后)控制。 所有的控制均通過(guò)可與微機(jī)連接的串行I2C總線來(lái)操作。測(cè)試結(jié)果表明，采用該芯片組成的系統(tǒng)具有總諧波失真小、信噪比高、噪聲低、通道分離度高等特點(diǎn)。

[1]Philips Semiconductors.The I2C-bus specification[S].Philips semiconductors standard version 2.1.January，2000.

[2]Two-wire bus-system comprising a clock wire anda data wireforinter-connecting anumberofstations[P].US Patent Number：4689740.

[3]ALLEN P E，HOLBERG D R.CMOS analog circuit design[M].Oxford University Press， Inc.， 2002.

[4]RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].The MeGraw-Hill Compannies，Inc.2001.