基于I2C总线控制的音频处理电路设计
时间：10-17
来源：EDN china
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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。
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。