基于STC89C52RC 和DAC0832 的音頻平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧瑋

（國(guó)家廣播電視總局723臺(tái)，河北石家莊，050408）

0 緒論

我單位的發(fā)射機(jī)房負(fù)責(zé)廣播節(jié)目的發(fā)射傳輸，并且要對(duì)傳輸效果監(jiān)聽監(jiān)測(cè)。目前使用的是20 多年前的老設(shè)備，其原理是從平轉(zhuǎn)取樣模擬信號(hào)，將其通過75 歐的射頻電纜傳送到調(diào)幅度測(cè)試儀。經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化后送到功放音箱，進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該方法有2 個(gè)弊端，第一，無法循環(huán)切換通道，我機(jī)房有6 部發(fā)射機(jī)，每一部發(fā)射機(jī)都要監(jiān)聽，這就需要值班人員不停的手動(dòng)切換，增加了值班的工作量；第二，不同的發(fā)射機(jī)送來的音頻信號(hào)，其音量大小不一，聲音忽大忽小，給值班員的監(jiān)聽造成困擾。鑒于以上原因，我機(jī)房計(jì)劃開發(fā)一套數(shù)字式音頻監(jiān)聽系統(tǒng)，平衡各個(gè)發(fā)射機(jī)的音頻輸出信號(hào)，改善監(jiān)聽效果。

1 硬件設(shè)計(jì)原理

在本方案中，系統(tǒng)有以下幾部分組成。采樣、差分放大、檢波、八選一、模數(shù)轉(zhuǎn)換、算法補(bǔ)償、數(shù)模轉(zhuǎn)換、音頻監(jiān)聽，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

■1.1 采樣

在采樣時(shí)，使用1 個(gè)真空電容加在平轉(zhuǎn)的輸出端，通過電容耦合來將大電流大電壓的包絡(luò)信號(hào)采集出來，之后送到差分放大電路。

■1.2 差分放大

在這個(gè)環(huán)節(jié)，電路使用了2 個(gè)放大器，做成前后兩級(jí)，每一級(jí)都是用數(shù)個(gè)電阻和比較器組成放大電路。具體電路圖如圖2 所示。

圖2 差分放大電路第一級(jí)

第一級(jí)的作用是消除共模干擾，從平轉(zhuǎn)到差分電路之間的信號(hào)線容易受到包括氣壓、溫度、濕度等因素的干擾。它是由1 個(gè)比較器S1 和4 個(gè)電阻R1，R2，R3，R4 還有2個(gè)電容C1，C2 搭配組成了減法器電路，將電纜芯和外層包裹的地線都存在的干擾信號(hào)一同減掉，這樣就得到干凈的信號(hào)。在圖1 中，比較器S1 接±15V 電源，這兩個(gè)電源通過電容C1，C2 接地，目的是消除電源中的交流毛刺。根據(jù)比較器虛短虛斷的原理，在電路中U3=U4，經(jīng)過R1 的電流不會(huì)流入比較器的引進(jìn)2，而是全部流向R3。流過電阻R2 的電流不會(huì)進(jìn)入比較器的引進(jìn)3，而是全部流向R4，進(jìn)而流入地。因此可以得到兩個(gè)公式：。在選擇電阻的阻值時(shí)，取R1=R2=R3=R4，則這兩個(gè)公式可變成，又由于U3=U4，得到U5=U2-U1。這樣電壓U5 的值就是兩個(gè)輸入端口的差值，這樣就消除了共模干擾。之后，信號(hào)被送至第二級(jí)，電路圖見圖3。

圖3 差分放大電路第二級(jí)

在第二級(jí)電路中，R8，R9，R10，R11 組成調(diào)零電路。在電路使用時(shí)，首先進(jìn)行調(diào)零操作。將第一級(jí)的兩個(gè)輸入端短接，即U5=U2-U1=0，這時(shí)候測(cè)量第二級(jí)的輸出電壓U7是否為0。如果不為零，則調(diào)整R10，使得U7 變成0。

對(duì)于放大功能，主要是通過R6，R7，R13 來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)虛短虛斷的關(guān)系可得：，令R5+R6=R7，得到U5-U6=U6，U5=2U6。而可得。則，這樣就確定了差分放大電路輸入與輸出之間的關(guān)系。輸出信號(hào)被送往檢波電路進(jìn)行檢波處理。

■1.3 檢波

檢波也稱為解調(diào)，是調(diào)制的逆過程，即從已調(diào)波中提取出調(diào)制信號(hào)的過程。由于我機(jī)房安裝的是調(diào)幅發(fā)射機(jī)，一次需要從調(diào)幅度中提取調(diào)制信號(hào)，也叫包絡(luò)檢波。這里的調(diào)制信號(hào)即收聽的音頻信號(hào)，高頻信號(hào)是載波信號(hào)。

本方案中，我們使用二極管檢波器，其原理如圖4 所示。

圖4 檢波原理

在圖4 中，二極管VD1 是負(fù)責(zé)檢波的主要工作，C1 是濾波電容，把信號(hào)里面的高頻載波成分出去，電阻R1 是檢波電路的負(fù)載電阻，電容C2 是耦合作用，將信號(hào)里面的直流成分去除，在輸出端得到一個(gè)頻率較低的音頻信號(hào)。工作的時(shí)候，調(diào)制信號(hào)加到該電路的輸入端，即二極管VD1 的正極，VD1 的工作原理和整流二極管基本上一樣，利用信號(hào)的幅度變化控制二極管的導(dǎo)通與截止，最后得到音頻信號(hào)。

■1.4 八選一

在檢波電路輸出了音頻信號(hào)后，送入八選一電路。因?yàn)槲覀儾块T的發(fā)射機(jī)有6 臺(tái)，都要進(jìn)行監(jiān)聽，為了節(jié)省成本，使用8 選1 電路。主要的芯片是CD4051。這是一個(gè)單刀8擲開關(guān)。他的基本作用是從前級(jí)送來的最多8 路模擬信號(hào)，在每一時(shí)刻只有一路可以被CD4051 選擇輸出到后級(jí)，其余的7 路被阻止。CD4051 芯片的引腳有16 個(gè)，其中包括8 路模擬量輸入端口，VDD 電源端口，3 個(gè)地址選擇端口，數(shù)字信號(hào)接地端口，INH 禁止端口，VEE 負(fù)電壓端口，公共輸出端口。

8 路輸入端口接的是需要傳輸?shù)囊纛l信號(hào)，3 個(gè)地址選擇端口，通過二進(jìn)制組合來分成8 個(gè)不同的地址號(hào)，分別與8 路輸入對(duì)應(yīng)。這3 個(gè)端口與單片機(jī)的3 個(gè)IO 口相連接，由單片機(jī)對(duì)地址進(jìn)行選擇控制，決定哪一路模擬端口被打開使其音頻信號(hào)流通。VDD 電源端口外接5 伏直流電壓，為芯片供電。INH 禁止端口決定著芯片能否正常工作，當(dāng)給INH 高電平的時(shí)候，芯片不工作，8 個(gè)輸入通道的信號(hào)都無法向后級(jí)輸出，只有INH 是低電平的時(shí)候，才可以輸出。因此這個(gè)端口可以作為片選信號(hào)來使用。在編程的時(shí)候，如果使用了數(shù)據(jù)總線的模式，可以將該口作為片選信號(hào)來編程。接地端外接電路的地信號(hào)。VEE 是一個(gè)電平位移口，使得芯片可以傳輸最大峰峰值為VDD+VEE 的交流信號(hào)。公共輸出端口將8 路輸入信號(hào)里面的某一路輸出到下一級(jí)。

■1.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換

本方案里面的模數(shù)轉(zhuǎn)換是使用單片機(jī)控制MAX187 芯片來實(shí)現(xiàn)。MAX187 是1 個(gè)12 位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它使用了采樣/保持電路，逐次比較寄存器，使用高速3 線的串行通信接口。只需要3 根通訊線SCLK，CS，DOUT 與單片機(jī)相連就能夠?qū)崿F(xiàn)控制和數(shù)字結(jié)果的傳送。

MAX187 有8 個(gè)引腳。其中引腳1 外接5V 電源，為芯片供電。引腳2 是模擬信號(hào)輸入端，信號(hào)的大小范圍是0-VREF。引腳3 是/SHDN，操作模式的選擇，外接高電平時(shí)可以正常工作。VREF 是參考電壓，一般使用其內(nèi)部參考電壓4.096V，這個(gè)引腳外接一個(gè)4.7μF 的電容后接地。引腳5 是地信號(hào)。引腳6 是數(shù)據(jù)輸出，將模數(shù)轉(zhuǎn)換的12 位數(shù)字量經(jīng)次引腳送給單片機(jī)。引腳7 是片選信號(hào)/CS，與單片機(jī)相連作為本芯片的是否工作的控制信號(hào)。引腳8 是時(shí)鐘信號(hào)SCLK，與單片機(jī)相連，由單片機(jī)為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，最高為5MHz。

MAX187、CD4051 與單片機(jī)的接線如圖5 所示。

圖5 MAX187、CD4051 與單片機(jī)的接線圖

在圖5 里面，單片機(jī)的P10，P11，P12 連接CD4051 的3 個(gè)地址端口A1，A1，A2。P13，P14，P15 連接MAX187 的/CS，SCLK，DOUT3 個(gè)信號(hào)線。具體的編程在下一節(jié)會(huì)講解。

■1.6 數(shù)據(jù)處理

當(dāng)數(shù)字式音頻信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)之后，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。在本方案里面使用了STC89C52RC 型號(hào)的51 單片機(jī)。它的引腳VD 外接5V 電源，XTAL1 和XTAL2 與外部晶振、電容組成晶振電路。引腳9 外接1 個(gè)按鈕、電解電容、電阻，再接地，組成復(fù)位電路。本方案里面，單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：第一，控制CD4051 的8 路模擬量輸入，在每一時(shí)刻只有1 路可以輸出。第二，控制MAX187 芯片對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果接收。第三，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)音頻信號(hào)的音量較低時(shí)，通過算法補(bǔ)償將其增大，反之將其減小，使其保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的音量上。第四，將補(bǔ)償后平穩(wěn)的音頻信號(hào)傳輸給DAC0832 芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。具體的代碼講解見后面。

■1.7 數(shù)模轉(zhuǎn)換

本方案使用DAC0832 芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換操作。他是1個(gè)8 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，在內(nèi)部含有2 個(gè)寄存器：輸入寄存器和DAC 寄存器，是前后2 級(jí)的關(guān)系。有16 個(gè)引腳。DI0~DI7 是數(shù)字量數(shù)據(jù)的輸入端口，單片機(jī)把數(shù)據(jù)從這8 個(gè)端口送進(jìn)DAC0832。CS 是片選信號(hào)，與單片機(jī)相連，由單片機(jī)控制其是否工作。ILE 是輸入寄存器的允許通過信號(hào)，高電平有效。/CS 是片選信號(hào)，/WR1 是第一個(gè)寄存器的寫命令信號(hào)，他倆是低電平有效。以上3 個(gè)信號(hào)組成邏輯電路，決定著輸入寄存器的工作狀態(tài)。XREF 是數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)，和/WR2 一起組成電路，控制DAC 寄存器的輸入信號(hào)能否被輸出。IOUT1 和IOUT2是兩個(gè)模擬量輸出端口，輸出電流為I1 和12，他們的和是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)的8 位全 部 是1 的 時(shí) 候，IOUT1 的輸出電流最大，IOUT2 的輸出電流最小；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)的8 位全部是0 的時(shí)候，正好相反。RFB 是負(fù)反饋電阻端，外接比較器，與IOUT1、IOUT2 組成電壓放大電路。VREF 是基準(zhǔn)電壓，電壓范圍是-10V~+10V。VCC 和GND 分別是5V 電源和地端。DAC0832 與單片機(jī)的連接圖如圖6 所示。

圖6 DAC0832與單片機(jī)的接線圖

/CS，/WR1 與單片機(jī)的端口相連，使得輸入寄存器的通斷狀態(tài)由單片機(jī)來控制。XREF和/WR2 接地，使DAC 寄存器一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。ILE 和VCC 外接5V 電源。此時(shí)DAC0832 處于單緩沖工作方式。DI0~DI7 接單片機(jī)的P0 口，接收補(bǔ)償后的數(shù)字式音頻信號(hào)。IOUT1 后接電壓放大器，將信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大，再接音箱，這樣就能使其放出的聲音音量保持恒定，不會(huì)忽大忽小，同時(shí)能夠多部發(fā)射機(jī)的音頻信號(hào)循環(huán)播放，省去人力操作。

2 程序設(shè)計(jì)

這部分進(jìn)行程序編程的介紹。檢波和差分放大功能是由硬件電路實(shí)現(xiàn)的，在軟件編程時(shí)不需要考慮這2 塊。本程序直接從差分放大電路后面的六選一功能開始，具體思路是：對(duì)CD4051 芯片進(jìn)行控制，決定著某一時(shí)刻哪路音頻模擬信號(hào)可以通過CD4051 芯片；之后對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX187編程，使其對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；之后對(duì)得到的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，進(jìn)行軟件算反補(bǔ)償，對(duì)音頻偏大的某路信號(hào)進(jìn)行削減，對(duì)音頻偏小的信號(hào)進(jìn)行放大，以便使得多路信號(hào)有一個(gè)相同的音量大小；最后控制DAC0832芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。主要是以上4 大功能，軟件設(shè)計(jì)的流程圖見圖7 所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

下面給出關(guān)鍵代碼。

（1）MAX187 的驅(qū)動(dòng)程序unit 187ADc(void)//編寫子函數(shù)，后面在主函數(shù)中之間調(diào)用{unchar i,linshi; //定義2 個(gè)局部變量187AD_CS=1;

187AD_CS=0; //出現(xiàn)下降沿時(shí)啟動(dòng)I2C 總線

187AD_CLK=0; //時(shí)鐘信號(hào)低電平開始模數(shù)轉(zhuǎn)換while(187AD_OUT==0);

//利用循環(huán)語句進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該過程中187AD_OUT=0 187AD_CLK=1;187AD_CLK=0;

//時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)下降沿，傳送數(shù)據(jù)給單片機(jī)linshi=linshi^187AD_OUT;

//將MAX187 的轉(zhuǎn)換結(jié)果賦值給linshi

for(i=0;i<11;i++) //MAX187 的位數(shù)是12，因此傳送12 次{187AD_CLK=1;

187AD_CLK=0; // 時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)下降沿，啟動(dòng)傳輸linshi=linshi<<1;

//位操作，使得linshi 的數(shù)據(jù)左移一位

linshi=linshi^187AD_OUT;}

// 將MAX187 的轉(zhuǎn)換結(jié)果賦值給linshi

（2）主函數(shù)程序，對(duì)CD4051 編程，算法補(bǔ)償和DAC0832 的輸出程序

define ADR P1 //宏定義將P1 口用宏ADR 代替Define DAC0832 XBYTE[0x6fff];

//定義DAC0832 的端口地址

main( ){

char j,n[3]; //定義符變量j,n[3]

float a,b,m,linshi; //定義4 個(gè)浮點(diǎn)型變量a,b,m,linshi a=255;

while(1){for(j=0;j<6;j++)

{ADR=j; //對(duì)CD4051 編程，選擇6 路音頻輸入信號(hào)

//里面的某一路，進(jìn)入MAX187

m=Adc(); //開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，將結(jié)果傳遞給變量m linshi=(180×m)/4095;

//將電壓信號(hào)計(jì)算還原成音頻的音量大小信號(hào)b=a-linshi; //對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行算法補(bǔ)償

DAC0832=b;}}

//對(duì)DAC0832 進(jìn)行編程，將數(shù)字量轉(zhuǎn)成模擬量

3 結(jié)論

該方案可以有效地實(shí)現(xiàn)音頻音量的平衡，改善了值班人員的工作環(huán)境，減少其工作量，實(shí)現(xiàn)循環(huán)監(jiān)聽，避免錯(cuò)過異態(tài)音頻的發(fā)現(xiàn)。提高了部門的數(shù)字化、自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的升級(jí)。取得了良好的效果。