高分辨率指數(shù)式數(shù)字電位器在音響系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　人耳對聲強的主觀感受遵循韋伯定律(Webber's Law)，在音量較小時人耳對聲波振幅的改變感受靈敏，聲音達到一定響度后，人耳的聽覺特性開始變得遲鈍。而指數(shù)型電位器的阻值變化規(guī)律為先慢后快，如果將這種衰減特性用在音量調(diào)節(jié)中，則恰好可以抵消人耳對音量感知的對數(shù)特性，保證主觀聽感的平滑。

　　與傳統(tǒng)的機械式音量電位器相比，數(shù)字電位器(DCP)的阻值調(diào)節(jié)由內(nèi)部CMOS開關(guān)控制，因而使用壽命長、可靠性高且不會產(chǎn)生機械噪聲;如果將廉價的通用型線性數(shù)字電位器直接用于音量調(diào)節(jié)，在小音量狀態(tài)下稍微調(diào)節(jié)電位器即會使輸出聲壓陡然增加，無法保證大動態(tài)范圍內(nèi)音量的準確定位，因此目前將數(shù)字式電位器運用在成熟功放產(chǎn)品中的實例還不多。實際上，如果將低分辨率線性數(shù)字電位器與通用嵌入式系統(tǒng)結(jié)合起來，就能夠得到運用于音量控制領(lǐng)域的低成本高分辨率指數(shù)式電位器。

　　總體設(shè)計方案

　　在數(shù)字電位器的擴展系統(tǒng)中，主控單元可選用常見的8位或16位成熟單片機。這里我們主要針對Intersil公司的低分辨率線性數(shù)字電位器X9313、X9312進行擴展，系統(tǒng)最終能夠達到的實際分辨率為31×99=3069級;如果把32抽頭的X9313全部更換為X9312，分辨率還可以進一步提高至9801級。

　　X9313與X9312這兩種DCP均為三線制接口、帶掉電自動保存功能的非易失性數(shù)字電位器，其內(nèi)部分別包含31、99個電阻單元構(gòu)成的電阻陣列，相鄰兩個電阻單元以及電阻陣列端點都設(shè)置有可以被滑動單元訪問的抽頭，如圖1所示?；瑒訂卧奈恢糜蒀S、U/D和INC三個輸入端控制，抽頭位置值能夠被存儲在非易失性存儲器中，供下次上電時調(diào)用置位。

　　圖1 X931x系列DCP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的每個聲道的音量控制由兩個X9313與一個X9312構(gòu)成，圖2為三個數(shù)字電位器的功能連接圖。所有DCP的U/D、INC端分別連接在一起，而片選端CS各自占用一個MCU端口。這種硬件連接方式能夠很容易地實現(xiàn)四聲道乃至更多聲道的音量控制。為了與常見的數(shù)字式音量調(diào)整習(xí)慣一致，最好不要保留通用DCP的三鍵式控制方式，而只需設(shè)置UP/DOWN兩組按鍵直接控制音量的增減。UP/DOWN按鍵與MCU的連接應(yīng)設(shè)置軟件延時的去抖算法，以消除按鍵輸入時的抖動，MCU與DCP之間則不再考慮按鍵抖動。

　　圖2 系統(tǒng)連接示意圖

　　分辨率擴展

　　Ra和Rb同時并聯(lián)在輸入信號Vin的兩端，其抽頭數(shù)均為32。Ra和Rb的輸出作Rc端口電壓VH和VL設(shè)置，Ra始終比Rb高一個位置間隔，這樣就可以將1/32Vi～31/32Vi共31種輸入信號的電壓變化加到Rc兩端。由于Rc選用了100抽頭的DCP，從而可以在Rc輸出端得到31×(100-1)=3069級的Vin線性電壓值。

　　隨著Rc滑動端上下移動，Ra和Rb的位置也在MCU的控制下進行相應(yīng)調(diào)整。在上移過程中，設(shè)Rc滑動端上移值與目前所在位置值相加后的值為M。若M小于100，說明這時只是Rc的滑動端發(fā)生移動，而Ra和Rb的滑動觸點位置不變;若M值超過100，則Ra和Rb的觸點均上移1個滑動位，Rc的滑動端返回M減去100之后所得實際值決定的觸點位。類似地，在抽頭下移過程中，若Rc的滑動端需要下移到抽頭0以下時，則Ra和Rb的滑動端也需要同步下移1位，以保持電位器實際調(diào)整步數(shù)的平衡。

　　電位器Rc的抽頭輸出端設(shè)置了一級電壓跟隨器，可以減小因負載并聯(lián)對級聯(lián)后分壓系數(shù)的影響。電位器觸點的滑動過程屬于不連貫的步進調(diào)節(jié)方式，故Rc的電阻值不是連續(xù)變化而是在滑動端調(diào)整到位后才具有所希望的輸出，這樣會使得輸出電壓出現(xiàn)一些小幅跳變。但由于輸入信號Vin的絕對增量并不大，且整個電位器擴展系統(tǒng)的分辨率很高，對此我們可在Rc電位器的滑動輸出端對地并聯(lián)一只1000～2200pF的小電容C1，以減小輸出電壓的波動。

　　上述電位器分辨率擴展的思路具有較高的可行性與移植性，此前曾應(yīng)用在我們的一項程控增益可編程高速放大器的系統(tǒng)設(shè)計方案中，取得很好的使用效果。

　　電阻值指數(shù)化

　　DCP的指數(shù)化處理采用軟件方式實現(xiàn)，不需要額外增加硬件。由于通用單片機的函數(shù)運算功能非常有限,因此在算法上，將電位器每級切換所要求的觸點移動步數(shù)以數(shù)組形式保存在單片機的ROM中。阻值調(diào)整時，MCU根據(jù)按鍵的UP/DOWN狀態(tài)和當前的階數(shù)值以查表方式取得各只DCP的實際偏移量，然后再由MCU控制DCP執(zhí)行相應(yīng)的步進切換動作?？紤]到3069級的實際分辨率，系統(tǒng)從零到滿幅輸出共設(shè)置了24級的步進階數(shù)，優(yōu)于市場上主流機械式步進電位器18～21的步進階數(shù)，具體的階數(shù)與電位器抽頭偏移量關(guān)系可參見表1。從表中不難看出，系統(tǒng)將DCP擴展到3069的高分辨率正是為了適應(yīng)電位器阻值在指數(shù)化調(diào)整過程中步進值的精確辨析。

　　表1 階數(shù)與電位器抽頭偏移量關(guān)系

　　X9312與X9313是不能直接從片內(nèi)存儲單元讀出滑動端當前所在位置的，因此，為了記憶各只數(shù)字電位器滑動觸點的實際位置，必須在程序中設(shè)置變量對不同電位器的觸點位置進行記憶。

　　結(jié)束語

　　高分辨率指數(shù)式數(shù)字電位器的解決方案以較低成本實現(xiàn)了通用型線性數(shù)字電位器在音響系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有較好的工程應(yīng)用前景和推廣價值。此外，由于DCP的指數(shù)式高分辨率擴展僅僅占用了很少的系統(tǒng)資源，因而可將MCU的剩余端口資源應(yīng)用在音量狀態(tài)的指示以及紅外信號解碼等功能性環(huán)節(jié)中，以完善系統(tǒng)功能。