一種音頻信號自動調節控制器的設計與應用

趙煥玲，王 超

（1.貴州職業技術學院，貴州 貴陽 550023；2.赤水市中等職業技術學校，貴州 遵義 564700）

0 概述

隨著信息化教學的快速發展，信息技術正在構建一個網絡化、數字化和智能化有機結合的教育環境，架起一個無限開放的平臺，所有的教育資源正在實現互聯互通及便捷交流，信息技術在教育教學活動的各個領域和環節中的廣泛應用，豐富了教學手段[1]，延展了教學范圍。

終端信息顯示和音頻聲音的呈現，讓課堂內容變得更加豐富多彩[2]。在傳統音頻使用過程中，通過音頻設備拾音傳感器或AUX外部音頻輸入，直接通過擴音器、功率放大器等音頻擴音裝置，在音頻開始輸入時，不能自動控制，因二次諧波產生噪音較大，輸出聲音較大[3]。同時，在手動調節音量的過程中，容易產生嘯叫，長時間使用就有可能損傷人的聽覺神經，造成噪聲污染。

為了正確、有效地使用音頻設備，達到綠色環保，滿足《中華人民共和國城市區域環境噪聲標準》要求，提出了使用LC諧振放大器及LC阻抗匹配的高頻濾波電路技術[3]，對FM無線話筒使用中產生的二次諧波進行抑制，減小外部噪聲[4]。同時，通過對ALPS雙聯B100K馬達電位器進行自動控制，實現對FM無線話筒音頻信號輸入的自動調節，限制音量的最大輸出。

1 技術方案

本技術方案由FM無線話筒自動拾音優化電路及音量自動調節兩部分組成。FM無線話筒自動拾音優化電路主要增強了無線話筒的拾音清晰度，發射頻率可在85 MHz～115 MHz之間調節，同時增加AUX音頻輸出接口，擴展了無線話筒的功能；在功放音頻電路中增加音量控制電路，通過馬達驅動芯片控制馬達電位器，控制開機音量和控制輸出最大音量。

1.1 FM無線話筒自動拾音優化電路

FM無線話筒自動拾音優化電路由MIC拾音傳感器、MIC音頻放大、AUX信號輸入電路、LC本振電路、高頻放大電路、LC濾波阻抗匹配等電路組成。FM無線話筒自動拾音優化電路原理框圖如圖1所示。

圖1 FM無線話筒自動拾音優化電路原理框圖

其中LC本振電路使用經典電路，工作穩定，頻率漂移小，高頻放大電路采用了LC諧振放大器，輸出部分使用LC阻抗匹配的高頻濾波對二次諧波抑制電路，設計自動拾音優化電路，對FM無線話筒拾音傳感器采集的音頻進行自動優化。FM無線話筒自動拾音優化電路圖如圖2所示，PCB圖如圖3所示。

圖2 FM無線話筒自動拾音優化電路原理圖

設計方案中，將FM發射頻率設定為85 MHz～115 MHz，使FM波段收音機或帶FM波段收音功能的設備都能接收，傳輸距離為100 m～1 000 m。

1.2 音量自動調節

音量自動調節由微控制器輸出PWM信號，控制馬達電位器，降低聲音，使輸出的音頻信號不大于60 dB。音量自動調節原理框如圖4所示。

音量自動調節選用了ALPS雙聯B100K馬達電位器作為音量控制開關，L9110S電機驅動芯片控制Alps馬達電位器，B100K馬達電位器旋轉扭矩不大于10 mN·m，B100K馬達電位器及引腳電氣特性如圖5所示。

圖5 B100K馬達電位器及引腳電氣特性

L9110S馬達驅動芯片是控制和驅動電機的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，外圍電路元器件少，成本低，兩個輸出端能直接驅動電機的正、反向運動及剎車，具有良好的抗干擾性，內置的鉗位二極管能釋放感性負載的反沖擊電流，在直流電機應用過程中安全可靠。L9110S馬達驅動芯片引腳及功能如圖6所示，L9110S馬達驅動芯片引腳功能如表1所示。

圖6 L9110S馬達驅動芯片引腳及功能

表1 L9110S馬達驅動芯片引腳功能

其中，VCC為直流電機驅動電源，該電源由直流變壓器提供，當微控制器輸出PWM信號為正轉信號時，直流電機順時針方向轉動，此時電位計輸出電阻變大，當微控制器輸出PWM信號為反轉信號時，直流電機逆時針方向轉動，此時電位計輸出電阻變小。

2 工程應用與試驗

2.1 FM無線話筒自動拾音優化電路

按FM無線話筒自動拾音優化電路PCB圖進行電路印制板制作，電氣焊裝元器件，FM無線話筒自動拾音優化電路板調試完成，FM無線話筒自動拾音優化電路板如圖7所示。

圖7 FM無線話筒自動拾音優化電路板

2.2 PLAS馬達電位器遙控電路

將揚聲器手動調節音量更換成PLAS馬達電位器遙控電路板，如圖8所示。

圖8 PLAS馬達電位器遙控電路板

其中，圖8（a）為單個PLAS馬達電位器遙控電路板，圖8（b）為將“總音量”“高音”及“話筒音量”三路集成于一體的PLAS馬達電位器遙控電路板，實現音量自動調節。同時，使用18 V直流變壓器給電源PLAS馬達電位器遙控電路板供電。

2.3 自動調節試驗

將FM無線話筒自動拾音優化電路板安裝在無線話筒中，對PLAS馬達電位器遙控電路板馬達電位器對應置入揚聲器“總音量”“高音”及“話筒音量”開關；然后，將外部輸入音頻信號、FM無線話筒信號等音頻輸出信號接入功放電路中，最后接入揚聲器，對音量自動調節進行試驗。音量自動調節試驗框圖如圖9所示。

其中，AUX外部音頻采用FM調頻收音機輸出的音頻，FM無線話筒采用普通FM無線話筒MIC拾音傳感器輸出音頻，功放電路及揚聲器均采用普通市購產品。

圖9 音量自動調節試驗框圖

為了滿足《中華人民共和國城市區域環境噪聲標準》要求，首先按輸出音量最大分貝值為60 db，對馬達電位器輸出的最小電阻及最大值進行設定，使PLAS馬達電位器遙控電路板對馬達電位器驅動范圍受限。

按FM無線話筒音頻與AUX外部音頻的兩種音頻輸入方式及不同應用場景等進行音頻音量自動調節試驗。試驗過程如下：

1）FM無線話筒音頻自動調節試驗。將普通話筒FM無線MIC拾音傳感器接入自動拾音優化電路的音頻輸入接口，通過MIC拾音傳感器輸出音頻輸入到自動拾音優化電路中，經過優化后的音頻信號通過音量自動調節電路，按音頻信號的輸入阻抗，PLAS馬達電位器遙控電路板驅動馬達，使PLAS馬達電位器自動調節輸入阻抗，輸入音頻通過音量自動調節電路后，輸出音頻通過后續功放電路、揚聲器輸出音量為60 dB。

2）AUX外部音頻自動調節試驗。將FM調頻收音機輸出的音頻輸出接入自動拾音優化電路的音頻輸入接口，調試FM調頻收音機接收的頻道音頻，通過音頻輸出端進入自動拾音優化電路中，經優化后的音頻信號接入音量自動調節電路，完成音量自動調節處理，最后功放電路、揚聲器輸出音量為60 dB。

3）應用場景試驗。按學校、機場、車站等不同應用場景，對音頻信號自動調節控制器進行音頻自動拾音優化及對音量自動調節功能進行試驗。

2.4 試驗結果

通過使用音頻信號自動調節控制器，對音頻接收播放裝置改裝后，在不同環境、應用場景下進行試驗，試驗過程中，FM無線MIC拾音傳感器無線話筒拾音清晰，去噪能力強，傳輸穩定，轉播效率高；PLAS馬達電位器遙控電路對輸入音頻音量實現自動調節，控制平緩；經過設置的開機音量及輸出的最大音量，避免了因人工調節產生的嘯叫，音量輸出穩定。

由于FM發射頻率及傳輸距離僅為方案設計中的設定值，未對其他發射頻率及傳輸距離進行針對性試驗，在后續試驗中需要進一步完善。

3 結束語

通過試驗結果表明：1）音頻信號自動調節控制器適用于學校、會議室、家庭音箱、電視機、公共廣播系統（地鐵、汽車客運站、候車室）等。同時，音頻信號自動調節控制器帶有AUX音頻輸入接口，可用于播放手機、平板、電腦上的音頻信號，轉播效果好，無雜音。2）通過遙控按鍵調節馬達電位器輸出的最小電阻，適當調整開機及最大音量，可以滿足不同使用環境要求。同時，使用音量控制顯示屏，能夠達到音量數字化可控，在后續工程應用中方案需要進一步改進及完善，提升工程應用人機對話水平。3）音頻信號自動調節控制器使用L9110S電機驅動芯片，外圍電路簡單，元器件使用少，成本低，能夠滿足控制電路小型化的工程應用需求。