音頻控制芯片PGA2311的音頻增益自動(dòng)控制

引言
    音頻接收設(shè)備已經(jīng)是日常生活、學(xué)習(xí)、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(hào)輸出時(shí)會(huì)出現(xiàn)音量大小不一的情況，嚴(yán)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(hào)輸入的幅度不一致，解決辦法就是進(jìn)行增益控制。
    最早的增益控制是模擬電路檢測(cè)控制，但模擬電路設(shè)計(jì)相對(duì)繁瑣，且難以實(shí)現(xiàn)較寬范圍的增益控制，因此隨著數(shù)字信號(hào)處理器件(DSP)的發(fā)展，采用DSP進(jìn)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(hào)減小增益，小的信號(hào)不處理?，F(xiàn)在也有對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大的方法，但由于擔(dān)心在沒有信號(hào)輸入的情況下增益調(diào)整太大，會(huì)使背景噪聲也加大，因此增益調(diào)整范圍不大，不能達(dá)到理想的控制效果。另外，基本都是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，即前饋控制，對(duì)輸出信號(hào)不進(jìn)行檢測(cè)，這樣在輸人時(shí)若增益較大，輸出會(huì)被限幅，影響收聽效果。且DSP方案成本相對(duì)較高。本方案采用成本低的單片機(jī)為處理核心，通過簡(jiǎn)單的增益控制算法完成增益自動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)以音頻信號(hào)的采集處理為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。音頻控制芯片PGA2311兩邊的音頻信號(hào)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(jìn)行采樣(對(duì)信號(hào)輸入／輸出端都進(jìn)行檢測(cè)目的是解決在輸入端無信號(hào)情況下增益是否調(diào)整的問題，同時(shí)避免增益過大導(dǎo)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(shè)置和顯示。

1．1 主控電路
    主控芯片MSP430F149是一款16位、48個(gè)8位并行I／O口、具有精簡(jiǎn)指令集、超低功耗(節(jié)電模式下最低只有0．1μA)的單片機(jī)，其尋址空間共64 KB其中RAM為2KB，給系統(tǒng)開發(fā)帶來很大的方便。它內(nèi)置一個(gè)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(diǎn)，能夠?qū)?個(gè)外部模擬源和4個(gè)內(nèi)部參考電源(包括內(nèi)部溫度傳感器源)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。ADC12還提供多種采樣觸發(fā)方式、轉(zhuǎn)換時(shí)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PGA231l是±5 V供電的CMOS器件，因此在I／O邏輯電平匹配時(shí)需要注意，在驅(qū)動(dòng)PGA2311時(shí)用電平移位器74HC245達(dá)到電平匹配。
1．2 電平搬移電路
    由于一般音頻輸出設(shè)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(hào)與A／D匹配避免削波失真，需要將輸入信號(hào)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。

2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括按鍵顯示、外設(shè)控制、音頻信號(hào)處理幾個(gè)部分，重點(diǎn)是音頻信號(hào)處理的AGC算法。按鍵顯示響應(yīng)用戶設(shè)置輸出音量大小并顯示出來，外設(shè)控制主要是對(duì)PGA2311進(jìn)行配置。
2．1 AGC算法
    AGC算法核心是通過信號(hào)的包絡(luò)信息來判斷信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是否超過設(shè)置大小，這里需要快速跟蹤包絡(luò)的變化，及時(shí)進(jìn)行增益控制。
    以往的AGC算法中乘除法運(yùn)算對(duì)CPU資源的占用較大。這里提出的AGC算法比較簡(jiǎn)單實(shí)用，其流程如圖3所示。具體實(shí)現(xiàn)過程：從單片機(jī)的A／D口，獲得音頻輸入／輸出信號(hào)的電平存入數(shù)組。數(shù)組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)達(dá)到門限比較要求，進(jìn)入峰值比較流程。根據(jù)存儲(chǔ)的輸入信號(hào)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(hào)。如果判定沒有音頻信號(hào)輸入，則增益不調(diào)整，防止由于輸出信號(hào)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(shí)間輸出聲音太大。輸入端有信號(hào)，則對(duì)輸出端進(jìn)行檢測(cè)，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(hào)大小超過設(shè)定門限，則減小增益，反之則增大增益。在減小增益時(shí)，步進(jìn)要大些，而在增大增益時(shí)步進(jìn)要小些，這樣在增益調(diào)整時(shí)輸出的音量使用戶聽覺上不覺得難受。

3 實(shí)驗(yàn)論證
    為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。設(shè)定輸出電平范圍，由計(jì)算機(jī)輸入突變的音頻信號(hào)，通過示波器觀察輸出，如圖4所示。

    從圖4中方框所標(biāo)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(shè)定范圍輸出。高音突變低音等實(shí)驗(yàn)由于調(diào)整周期較長，這里就不作圖示整個(gè)調(diào)整過程了。

結(jié)語
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，該設(shè)計(jì)增益控制及時(shí)、準(zhǔn)確，保持輸出信號(hào)電平在設(shè)定范圍穩(wěn)定輸出，且低功耗，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可移植性強(qiáng)，可以滿足目前用戶對(duì)音頻接收設(shè)備音量輸出的要求。