基于51單片機的數(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調節(jié)電平，而高精度電路的調節(jié)范同達100 dB以上．相當于二進制線性數(shù)字18位，同時也要求具有較高的調節(jié)步進值。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、衰減量步進值、特性阻抗都是特定的。但在實際應用中，需要音頻衰減器具有不同的參數(shù)；而且在一些應用中還希望衰減量能夠按照需要隨意設計，并且可以隨時調整。針對這些需求，介紹了一種基于單片機由電阻衰減器和模擬開關組成的音頻控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過單片機及上位PC機設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)總體設計

基于805lF330的音頻控制系統(tǒng)結構如圖l所示，它主要由8051F330單片機、衰減器模塊、控制模塊等部分組成。單片機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)絡進行設計；采用模擬開關CD4053來控制衰減量大小。上位PC機通過8051F330單片機控制衰減器模塊的衰減量，以達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，用于信號源去耦，調節(jié)電路的傳輸電平，或緩沖阻抗變換的影響，改善阻抗匹配。衰減器已廣泛應用于無線電測試儀器、儀表、傳輸線、標準衰減器及郵電、通訊、信號載波、廣播電視、計算機等系統(tǒng)中，工作頻率可達到VHF(甚高頻)，適用于音頻信號衰減。衰減器結構是根據(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)絡構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。

控制模塊中的開關電路選用三組二路模擬開關CD4053，其引腳配置如圖4所示。圖中，VDD與VEE為電源端，應保持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INH=O時，各引腳邏輯關系如表l所示。

2.3 音頻信號源

C8051F330單片機內置一路10位電流數(shù)／模轉換器，可將數(shù)字信號轉化為模擬電流，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，或讀取預先存儲在存儲器內的音頻信號，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CD4053作為數(shù)控開關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。單片機給74LSl64輸出QG～QA的控制信號，每位對應一級衰減器，若需接入某級衰減器，則對應位置為1；若不需接入該級衰減器，則該位置為0。

應用使用7級衰減器，設定衰減值：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。相應地，電路中節(jié)點c和d短路，U3 CD4053的C引腳應為低電平，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，對應控制信號為QG～QA=1011100。依次類推，可將O~103 dB范圍內每1 dB值對應控制信號編寫為數(shù)組，可預先存入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 結語

實際電路設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、衰減量步進值及匹配阻抗。采用組合衰減器網(wǎng)絡，在實際運用中根據(jù)設計需要，自主設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；大大降低了設計成本，具有極高的實用價值。