基于I2C總線控制的音頻處理電路設計

1 電路模塊的設計
高保真音響系統的系統結構圖如圖1所示．其中音頻處理電路的設計和功率放大器的設計往往是利用不同的芯片來完成的。

根據高保真立體聲高級音響系統對音頻處理電路的要求．該文設計的高性能音頻處理電路的主要結構框圖如圖2所示。音頻處理器可在I2C總線控制下對四路獨立的立體聲輸入信號進行選擇，然后進行主音量的控制、低音控制、高音控制以及四路立體聲輸出平衡度調整等。
1．1 I2C總線控制設計
I2C總線是Philip公司發明的一種高性能芯片間同步傳輸總線，僅需要串行數據線SDA和串行時鐘線SCL兩根信號線就實現了雙向同步數據傳輸，能非常方便地構成多機系統和外圍器件擴展系統。數據的有效傳送是在時鐘線為高電平時，數據線上的數據必須保持穩定，只有在時鐘為低電平時數據才允許變化。該設計采用的I2C通過數據線傳送的每個字節必須是8位的，每一字節之后必須緊跟一個應答位，字節的最高位最先傳送。
音頻處理器芯片接收I2C總線發送的字節，首先識別地址位，在地址位有效的情況下識別控制位，再根據控制位的指令完成通道選擇、音量調節、高低音調節、輸出通道平衡度等音效處理的控制功能。
1．2 輸入通道選擇設計
在音頻系統中往往有許多獨立的音源必須通過音響處理，如在汽車音響系統中，來至收音機、CD、MP3、TV等的不同聲音都需要通過音響處理音效，這就要求高性能的音頻處理器能夠在不同音源之間完成切換。該設計音頻處理器采用I2C總線傳輸的數據控制指令，完成不同音源之間的切換；主要原理圖如圖3所示。微處理(MCU)通過I2C總線向音頻處理芯片發送控制數據。音頻處理器芯片接收I2C總線傳輸的數據，通過譯碼電路控制選擇的音源通道開關的開與關，實現輸入通道選擇的功能。同時根據控制字調節電阻大小決定放大器的放大倍數決定音頻信號的幅度大小。

1．3 音量控制設計
在音頻處理器中，音量的調節是最基本的功能。實現I2C總線控制的數字式音量調節的主要原理如圖4所示。

當控制字譯碼后打開開關SK，此時的取樣電阻值為RX，總衰減電阻為Rall，則輸出信號與輸入信號的電壓關系為AV=Vout／VIN=RX／Rall；微處理器通過發送不同的控制值控制不同的開關導通實現不同的電壓增益，實現最終的音量調節的目的。
1．4 高、低音頻率響應電路設計
高性能音頻處理器要求對不同頻率的音頻信號有不同的頻率響應；尤其是高音和低音要求有不同的頻率處理電路完成音效處理功能。文獻[6]給出了基于兩個運放單元的高、低音處理電路原理；但這種設計左右聲道的高、低音處理電路中就必須包含4個運放單元，很大程度上增加了版圖面積和芯片成本。在此采用交叉開關對實現了運放復用的功能，只利用一個運放單元就實現了信號的放大和衰減，很大程度地降低了芯片成本。
低音部分的頻率處理電路主要原理如圖5所示，主要通過有源運算放大器外接二階R，C帶通濾波器來實現。當需要對低音信號進行衰減時，打開圖5所示AV0的開關對，此時的等效電路如圖6(a)所示，通過運放緩沖驅動無源濾波器；當需要對音頻信號衰減時，打開圖5所示AV>0的開關對，此時的等效電路如圖6(b)所示，交換了濾波器的輸入／輸出。