基于I2C总线控制的音频处理电路设计

0 引 言
    当前汽车音响与高保真的立体声音响系统中都包含了微处理器电路单元，这为实现音频处理提供了控制接口，可以通过控制接口实现许多需要的功能控制。作为音响系统主体的音频处理电路性能直接决定了整个音响系统质量，设计高性能的音频处理电路是该文的核心部分。
    该设计的高性能音频处理电路基于I2C总线控制协议，包含输入多通道选择、音量控制、高低音音效处理、输出通道平衡度调整等功能，适合应用于高质量汽车音响、高保真收音机、彩电、家庭组合音响系统。

1 电路模块的设计
    高保真音响系统的系统结构图如图1所示．其中音频处理电路的设计和功率放大器的设计往往是利用不同的芯片来完成的。

    根据高保真立体声高级音响系统对音频处理电路的要求．该文设计的高性能音频处理电路的主要结构框图如图2所示。音频处理器可在I2C总线控制下对四路独立的立体声输入信号进行选择，然后进行主音量的控制、低音控制、高音控制以及四路立体声输出平衡度调整等。
1．1 I2C总线控制设计
    I2C总线是Philip公司发明的一种高性能芯片间同步传输总线，仅需要串行数据线SDA和串行时钟线SCL两根信号线就实现了双向同步数据传输，能非常方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。数据的有效传送是在时钟线为高电平时，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟为低电平时数据才允许变化。该设计采用的I2C通过数据线传送的每个字节必须是8位的，每一字节之后必须紧跟一个应答位，字节的最高位最先传送。
    音频处理器芯片接收I2C总线发送的字节，首先识别地址位，在地址位有效的情况下识别控制位，再根据控制位的指令完成通道选择、音量调节、高低音调节、输出通道平衡度等音效处理的控制功能。
1．2 输入通道选择设计
    在音频系统中往往有许多独立的音源必须通过音响处理，如在汽车音响系统中，来至收音机、CD、MP3、TV等的不同声音都需要通过音响处理音效，这就要求高性能的音频处理器能够在不同音源之间完成切换。该设计音频处理器采用I2C总线传输的数据控制指令，完成不同音源之间的切换；主要原理图如图3所示。微处理(MCU)通过I2C总线向音频处理芯片发送控制数据。音频处理器芯片接收I2C总线传输的数据，通过译码电路控制选择的音源通道开关的开与关，实现输入通道选择的功能。同时根据控制字调节电阻大小决定放大器的放大倍数决定音频信号的幅度大小。

1．3 音量控制设计
    在音频处理器中，音量的调节是最基本的功能。实现I2C总线控制的数字式音量调节的主要原理如图4所示。

    当控制字译码后打开开关SK，此时的取样电阻值为RX，总衰减电阻为Rall，则输出信号与输入信号的电压关系为AV=Vout／VIN=RX／Rall；微处理器通过发送不同的控制值控制不同的开关导通实现不同的电压增益，实现最终的音量调节的目的。
1．4 高、低音频率响应电路设计
    高性能音频处理器要求对不同频率的音频信号有不同的频率响应；尤其是高音和低音要求有不同的频率处理电路完成音效处理功能。文献[6]给出了基于两个运放单元的高、低音处理电路原理；但这种设计左右声道的高、低音处理电路中就必须包含4个运放单元，很大程度上增加了版图面积和芯片成本。在此采用交叉开关对实现了运放复用的功能，只利用一个运放单元就实现了信号的放大和衰减，很大程度地降低了芯片成本。
    低音部分的频率处理电路主要原理如图5所示，主要通过有源运算放大器外接二阶R，C带通滤波器来实现。当需要对低音信号进行衰减时，打开图5所示AV<0的开关对，此时的等效电路如图6(a)所示，通过运放缓冲驱动无源滤波器；当需要对音频信号衰减时，打开图5所示AV>0的开关对，此时的等效电路如图6(b)所示，交换了滤波器的输入／输出。

    无源滤波器由内部的电阻阵列、外接电容电阻组成，电路原理图如图7所示。

    对节点VA，VX分别列节点电流方程得：

    根据滤波器输入／输出的节点关系：

   
    把式(1)代入式(2)整理得到输入／输出的传输函数：

    根据式(3)的滤波器传输函数可知，通过外接电阻电容值的选取可实现低音峰值频率的设定；内部的分压电阻在I2C总线控制译码的作用下，选择不同的分压比例实现不同的电压增益；最上端的开关对通过调节交换滤波器的输入／输出，实现对输入的音频信号增强和衰减。
    高音部分的频率处理电路主要原理如图8所示，主要通过内部有源运算放大器、交叉开关对、增益控制电阻、外接串连R，C实现高音部分音频信号的频率响应。采用低音控制电路的分析方法可见，上述的开关对实现了高音信号的衰减和增强的目的。

高音处理的滤波器由内部电阻阵列、外接电阻、外接电容组成，电路原理图如图9所示。

    由阻抗分压特性可知滤波器的传输函数：
   
式中：
    由传输函数(4)可知：外接的串连分立电阻电容可实现高音峰值频率的设定；内部分压电阻在I2C总线控制译码的作用下控制不同的开关导通，实现不同的分压比例决定信号的增益大小；最上端的交叉开关对通过改变滤波器的输入和输出，调节整个电路模块对音频信号的增强还是衰减。
1．5 输出通道平衡度调整设计
    高性能的音频处理器要求多声道输出驱动不同的音响系统实现立体声效果，这里音频处理器实现了4路独立的音频信号输出，可驱动4个不同的音响，且不同支路的音频信号在I2C总线控制下实现不同的衰减处理，达到实现调整通道之间的平衡度的目的。由结构框图(图2)所示，将这四路音频输出通路分别称为右前置、右后置、左前置、左后置等。

2 版图设计和测试结果
2．1 版图设计
    这里设计的音频处理器芯片采用CMOS工艺实现了低功耗、高性能、低失真度等特点，采用CANDENCE的版图绘制工具完成了版图设计，整个版图如图10所示。在版图设计中要考虑左右声道的音频信号间的隔离减少声道之间的串绕影响；同时注意音频信号线同I2C控制线之间的隔离，避免在不同的控制模式下产生噪声干扰；最后在优化性能的同时尽量优化版图面积减少芯片的成本。

2．2 测试结果
    这里设计的音频处理器电路经流片、封装、测试各项指标完成且达到了预定的目标。
    测试说明：
    (1)增益控制的测量；通过微处理器向电路发送不同的I2C控制命令，在音频输入端加频率为1 kHz、峰峰值为100 mV的正弦信号，在不同的控制制下测试输出节点的信号波形峰峰值，利用峰峰值计算各级的增益，得到表1的测试结果。

    (2)高低音频率响应的测试；通过微处理发送命令使得音频电路处于高低音控制模式，通过改变输入信号的频率，峰峰值设定为100 mV的正弦信号，在不同增益控制级别下测试不同频率信号下的输出信号峰峰值，进而计算该频率和增益级别下的增益。利用测试得到的数据绘制频率响应曲线如图11所示。

3 结 语
    在此详细分析了高性能音频处理器的功能要求．根据各功能要求设计了实现各功能要求的电路结构，设计实现了一款应用于汽车音响及家用娱乐音响系统的音频处理器芯片，该芯片极高的性价比使其具有广阔的市场空间。