基于51單片機(jī)的數(shù)字音頻信號源的幅度控制

1 引言

音頻模擬信號電路常需要在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電平，而高精度電路的調(diào)節(jié)范同達(dá)100 dB以上．相當(dāng)于二進(jìn)制線性數(shù)字18位，同時也要求具有較高的調(diào)節(jié)步進(jìn)值。使用數(shù)字信號源直接改變幅值，一般只有幾dB的分辨率。市面上很多音頻衰減器的衰減量、衰減量步進(jìn)值、特性阻抗都是特定的。但在實際應(yīng)用中，需要音頻衰減器具有不同的參數(shù)；而且在一些應(yīng)用中還希望衰減量能夠按照需要隨意設(shè)計，并且可以隨時調(diào)整。針對這些需求，介紹了一種基于單片機(jī)由電阻衰減器和模擬開關(guān)組成的音頻控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過單片機(jī)及上位PC機(jī)設(shè)置音頻信號的衰減量，控制衰減量的增減。該系統(tǒng)具有適用廣泛，使用方便，移植性高等特點。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于805lF330的音頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示，它主要由8051F330單片機(jī)、衰減器模塊、控制模塊等部分組成。單片機(jī)以中斷方式向控制模塊發(fā)送控制信號，通過控制模塊改變衰減器衰減量，以產(chǎn)生所需衰減量的音頻信號。衰減器模塊是用于衰減音頻信號，采用電阻衰減器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計；采用模擬開關(guān)CD4053來控制衰減量大小。上位PC機(jī)通過8051F330單片機(jī)控制衰減器模塊的衰減量，以達(dá)到控制音頻信號衰減量的目的。

2．1 音頻衰減器模塊

信號衰減器是一類用于傳輸系統(tǒng)降低信號電平，使其不產(chǎn)生顯著畸變的無源網(wǎng)絡(luò)，用于信號源去耦，調(diào)節(jié)電路的傳輸電平，或緩沖阻抗變換的影響，改善阻抗匹配。衰減器已廣泛應(yīng)用于無線電測試儀器、儀表、傳輸線、標(biāo)準(zhǔn)衰減器及郵電、通訊、信號載波、廣播電視、計算機(jī)等系統(tǒng)中，工作頻率可達(dá)到VHF(甚高頻)，適用于音頻信號衰減。衰減器結(jié)構(gòu)是根據(jù)電阻排列形式可分為T、H、π、L、O型，最常用的有T型與π型。

圖2中，zin、Zout分別為衰減器的輸入、輸出阻抗。在實際應(yīng)用中，根據(jù)衰減器的輸入、輸出阻抗和所需衰減量計算電阻阻值。

2．2 控制模塊設(shè)計

衰減電路控制模塊如圖3所示，根據(jù)若干組T型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成衰減器的基本單元，其衰減量可根據(jù)需要計算組合；使用開關(guān)電路以切換若干組基本單元，其控制由數(shù)字控制部分傳送的二進(jìn)制代碼來實現(xiàn)。若控制A1接通，則表示R1部分被短路，總衰減量為R2+R3；同理，若控制B1接通，則表示R2部分被短路，總衰減量為Rl+R3。

控制模塊中的開關(guān)電路選用三組二路模擬開關(guān)CD4053，其引腳配置如圖4所示。圖中，VDD與VEE為電源端，應(yīng)保持VDD>VEE，且VCD-VEE等于5 V、10 V或15 V均能正常工作；VSS為接地端；INH為使能端，低有效；A、B、C為控制位；XO、Xl、Y0、Yl、ZO、Z1為輸入端；X、Y、Z為輸出端。當(dāng)INH=O時，各引腳邏輯關(guān)系如表l所示。

2.3 音頻信號源

C8051F330單片機(jī)內(nèi)置一路10位電流數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，可將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬電流，輸出電流由IDAC數(shù)據(jù)寄存器決定一音頻信號采用DDS造波法生成，或讀取預(yù)先存儲在存儲器內(nèi)的音頻信號，也可使用其他音頻信號源，在此不作贅述。由于C8051F330輸出的是電流信號，需要在輸出端和地之間接入一只電阻R4來得到電壓信號。

3 基于單片機(jī)的高精度音頻控制系統(tǒng)實例

如圖5所示，將R1～R7的7級T形電阻衰減器串聯(lián)，組成基本音頻衰減器通路，采用一組數(shù)控開關(guān)切換若干組基本單元接入音頻通路或被短路接出，改變控制量。選用三組二路模擬開關(guān)CD4053作為數(shù)控開關(guān)切換各級衰減器接入音頻通路或被短路接出，改變控制量。

以R7為例，當(dāng)U5 CD413153的引腳A為高電平時，控制X引腳模擬接通X1引腳，控制節(jié)點h和g斷開，R7接入音頻通路產(chǎn)生相應(yīng)衰減；U5 CD4053的A引腳為低電平時，X引腳模擬接通X0引腳，節(jié)點h和g接通短路，音頻信號不經(jīng)過R7衰減器。為節(jié)省單片機(jī)I／O口，利用8位串入并出移位寄存器74HCl64向CD4053輸出控制信號實現(xiàn)集中多路輸出。單片機(jī)給74LSl64輸出QG～QA的控制信號，每位對應(yīng)一級衰減器，若需接入某級衰減器，則對應(yīng)位置為1；若不需接入該級衰減器，則該位置為0。

應(yīng)用使用7級衰減器，設(shè)定衰減值：R1=1 dB、R2=2 dB、R3=4 dB、R4=8 dB、R5=16 dB、R6=32 dB，R7=40 dB，則可以滿足O~103 dB，步進(jìn)值為l的衰減需求。若要產(chǎn)生83 dB的衰減，則選接入Rl、R2、R4、R6、R7。相應(yīng)地，電路中節(jié)點c和d短路，U3 CD4053的C引腳應(yīng)為低電平，即QE=O，節(jié)點e與f短路，U4 CD4053的B引腳為低電平，即QC=0，對應(yīng)控制信號為：0G～QA=llOl01l。若要產(chǎn)生29 dB的衰減，則選接入Rl、R3、R4、R5，衰減值為29 dB，對應(yīng)控制信號為QG～QA=1011100。依次類推，可將O~103 dB范圍內(nèi)每1 dB值對應(yīng)控制信號編寫為數(shù)組，可預(yù)先存入C8051F330，使用時查表讀出即可。

如果需要更大的衰減值，可采用更多級的衰減器。在軟件設(shè)計上，可利用中斷，待控制信號完全輸出后，再接通主信號通路，以避免產(chǎn)生不必要的噪聲，也避免程序跑飛。

4 結(jié)語

實際電路設(shè)計所需的衰減器衰減量以及前后級的阻抗匹配常常不同，市場上衰減器只有固定的衰減值、衰減量步進(jìn)值及匹配阻抗。采用組合衰減器網(wǎng)絡(luò)，在實際運(yùn)用中根據(jù)設(shè)計需要，自主設(shè)計所需衰減器的級數(shù)、衰減值組合，并靈活計算使用衰減器電阻值，具有極高的靈活性和可移植性；大大降低了設(shè)計成本，具有極高的實用價值。