音頻控制芯片PGA2311的音頻增益自動控制

徐榮,曾瓊,田湘

(解放軍理工大學,南京 210007)

徐榮(講師),主要研究領域為衛(wèi)星導航。

引 言

音頻接收設備已經(jīng)是日常生活、學習、工作中不可缺少的工具,但是在使用過程中由于某些原因,如切換頻道、播放廣告等,信號輸出時會出現(xiàn)音量大小不一的情況,嚴重影響用戶的收聽效果。產(chǎn)生這種音量相差較大的主要原因是音頻信號輸入的幅度不一致,解決辦法就是進行增益控制。

最早的增益控制是模擬電路檢測控制,但模擬電路設計相對繁瑣,且難以實現(xiàn)較寬范圍的增益控制,因此隨著數(shù)字信號處理器件(DSP)的發(fā)展,采用 DSP進行增益控制成為主流。起初數(shù)字器件處理的一般方法是大的信號減小增益,小的信號不處理。現(xiàn)在也有對小信號進行放大的方法,但由于擔心在沒有信號輸入的情況下增益調(diào)整太大,會使背景噪聲也加大,因此增益調(diào)整范圍不大,不能達到理想的控制效果。另外,基本都是對輸入信號進行檢測,即前饋控制,對輸出信號不進行檢測,這樣在輸入時若增益較大,輸出會被限幅,影響收聽效果。且DSP方案成本相對較高。本方案采用成本低的單片機為處理核心,通過簡單的增益控制算法完成增益自動控制。

1 系統(tǒng)硬件設計

如圖1所示,整個系統(tǒng)以音頻信號的采集處理為核心進行設計。音頻控制芯片PGA2311兩邊的音頻信號輸入和輸出端,經(jīng)放大器 TL084電平搬移后送到MSP430F149的A/D口進行采樣(對信號輸入/輸出端都進行檢測目的是解決在輸入端無信號情況下增益是否調(diào)整的問題,同時避免增益過大導致輸出端限幅發(fā)生)。采樣數(shù)據(jù)由軟件算法處理得到增益值,經(jīng)電平變換器74HC245配置到PGA2311。按鍵和數(shù)碼管完成輸出電平門限范圍的設置和顯示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 主控電路

主控芯片MSP430F149是一款16位、48個8位并行I/O口、具有精簡指令集、超低功耗(節(jié)電模式下最低只有0.1 μ A)的單片機,其尋址空間共64 KB其中 RAM 為2 KB,給系統(tǒng)開發(fā)帶來很大的方便。它內(nèi)置一個12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC12、采樣保持器和模擬多路器。ADC12具有高速、通用的特點,能夠?qū)?個外部模擬源和4個內(nèi)部參考電源(包括內(nèi)部溫度傳感器源)進行A/D轉(zhuǎn)換。ADC12還提供多種采樣觸發(fā)方式、轉(zhuǎn)換時鐘周期、轉(zhuǎn)換模式的選擇。

PGA2311是一款雙聲道、可編程增益放大器,與MSP430F149之間通過SPI總線交互,其增益范圍為+31.5～ -95.5 dB。

圖1中 MSP430F149是 3.3 V供電,而PGA2311是±5 V供電的CMOS器件,因此在I/O邏輯電平匹配時需要注意,在驅(qū)動PGA2311時用電平移位器74HC245達到電平匹配。

1.2 電平搬移電路

由于一般音頻輸出設備音量大小不一且為交流耦合形式,而 MSP430F149的A/D采樣電壓范圍是 0～2.5 V,為了使被采樣信號與A/D匹配避免削波失真,需要將輸入信號比例放大(或縮小),并將中心電壓搬移至1.25 V附近。如圖2所示。

圖2 電平搬移電路

2 軟件設計

軟件設計包括按鍵顯示、外設控制、音頻信號處理幾個部分,重點是音頻信號處理的AGC算法。按鍵顯示響應用戶設置輸出音量大小并顯示出來,外設控制主要是對PGA2311進行配置。

2.1 AGC算法

AGC算法核心是通過信號的包絡信息來判斷信號的動態(tài)范圍是否超過設置大小,這里需要快速跟蹤包絡的變化,及時進行增益控制。

以往的AGC算法中乘除法運算對CPU資源的占用較大。這里提出的AGC算法比較簡單實用,其流程如圖3所示。具體實現(xiàn)過程:從單片機的A/D口,獲得音頻輸入/輸出信號的電平存入數(shù)組。數(shù)組存儲數(shù)據(jù)達到門限比較要求,進入峰值比較流程。根據(jù)存儲的輸入信號數(shù)據(jù),采用冒泡排序的算法找出最大幅值,判斷輸入端是否有信號。如果判定沒有音頻信號輸入,則增益不調(diào)整,防止由于輸出信號太小而一直增大增益,噪聲過大,或者一旦出現(xiàn)聲音,由于增益過大而出現(xiàn)短時間輸出聲音太大。輸入端有信號,則對輸出端進行檢測,同樣調(diào)用冒泡排序程序找出最大幅值,如發(fā)現(xiàn)輸出信號大小超過設定門限,則減小增益,反之則增大增益。在減小增益時,步進要大些,而在增大增益時步進要小些,這樣在增益調(diào)整時輸出的音量使用戶聽覺上不覺得難受。

圖3 AG C算法流程

3 實驗論證

為驗證設計的正確性進行實驗論證。設定輸出電平范圍,由計算機輸入突變的音頻信號,通過示波器觀察輸出,如圖4所示。

圖4 低音變高音結(jié)果

從圖4中方框所標示的音量突變區(qū)域,可以看出輸入音量突然增大后,在500 ms內(nèi)就將增益調(diào)低,保持音量輸出在設定范圍輸出。高音突變低音等實驗由于調(diào)整周期較長,這里就不作圖示整個調(diào)整過程了。

結(jié) 語

實驗結(jié)果說明,該設計增益控制及時、準確,保持輸出信號電平在設定范圍穩(wěn)定輸出,且低功耗,實現(xiàn)簡單,可移植性強,可以滿足目前用戶對音頻接收設備音量輸出的要求。

[1]李夕紅,祝忠明,謝興紅.音頻信號采集與AGC算法的DSP實現(xiàn)[J].設計天地,2007(4).

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[3]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2000.