數(shù)字式音響控制器的原理及設(shè)計(jì)

0 引言
    本設(shè)計(jì)的基本思路是分兩個(gè)系統(tǒng)一通道選擇系統(tǒng)和音量控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行整合。這樣分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，大大降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和修改只影響系統(tǒng)本身，而不會(huì)影響其他系統(tǒng)，這樣就使電路有了局部性。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮輸入設(shè)備，輸入的音頻信號(hào)不予以考慮，默認(rèn)是優(yōu)良的音頻信號(hào)；在這里將輸入的8個(gè)音頻輸入進(jìn)行選擇以達(dá)到8種音效，我們通過(guò)一級(jí)放大電路將選擇的音頻送入到音量控制系統(tǒng)，這之間的傳輸采用的是直接耦合，直接連接到了音量控制電路的輸入端，之后進(jìn)行音量的自由選擇，這樣就實(shí)現(xiàn)了音效和音量的控制。

1 通道選擇系統(tǒng)
1．1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能
    1)對(duì)8個(gè)通道實(shí)行選擇；2)通道選擇用按鍵實(shí)現(xiàn)，按一次，通道選擇加1，加至第8通道，再按回到第1通道；3)持續(xù)按下按鍵，每200ms轉(zhuǎn)下一個(gè)通道；4)一位LED實(shí)現(xiàn)通道選擇的顯示。
1．2 電路總體框圖

1．3 系統(tǒng)工作原理
    通道選擇系統(tǒng)由計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)分配器等部分組成。原理圖見(jiàn)附錄圖示。其工作原理如下：555及其外圍電路組成計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生器，當(dāng)電路接通電源后，它將輸出一連串周期約為200ms的脈沖信號(hào)，通過(guò)按鈕A1將脈沖信號(hào)送入加法計(jì)數(shù)器74LS161作為計(jì)數(shù)脈沖；計(jì)數(shù)器輸出送入作為數(shù)據(jù)分配器使用的74LS138，通過(guò)數(shù)字輸出控制“電子開(kāi)關(guān)”，對(duì)與“電子開(kāi)關(guān)”相連接的各個(gè)通道進(jìn)行選擇輸出；同時(shí)計(jì)數(shù)器輸出到譯碼顯示電路，進(jìn)行通道選擇的數(shù)字顯示。按下A1，工作加法計(jì)數(shù)狀態(tài)，計(jì)數(shù)器輸出按BCD碼依次變?yōu)楦唠娖?，?shù)據(jù)分配器按照計(jì)數(shù)器送入的BCD碼分配相應(yīng)的數(shù)據(jù)，控制相應(yīng)“電子開(kāi)關(guān)”對(duì)通道進(jìn)行選擇，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)通道的數(shù)字控制選擇；同時(shí)LED數(shù)碼管顯示所選通道。(例如：按下A1持續(xù)450ms，計(jì)數(shù)器記錄為2，相應(yīng)BCD碼為010，送入數(shù)據(jù)分配器，則要分配控制第2通道開(kāi)啟，選擇第2通道的音頻輸入；LED數(shù)碼管顯示為2)
1．4 各部分電路原理
    (1)計(jì)數(shù)器電路。74LS161是四位同步加法計(jì)數(shù)器，當(dāng)時(shí)鐘脈沖信號(hào)施加于CP端時(shí)，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)開(kāi)始計(jì)數(shù)。CO是進(jìn)位信號(hào)輸出端，可供級(jí)聯(lián)使用；PE控制P0～P3并行數(shù)據(jù)輸入，Q0～Q3是計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出端。
    (2)通道選擇電路。74LS138是3-8譯碼器和分配器，當(dāng)E3=1，且E1=E2=0時(shí)分配器工作，A0～A3是輸出控制端，Y0～Y7是輸出端。“電子開(kāi)關(guān)”采用兩支NPN和PNP三極管和前置運(yùn)放構(gòu)成，由Y0～Y7經(jīng)過(guò)反相器74LS04后控制，開(kāi)關(guān)輸出通過(guò)控制各通道經(jīng)過(guò)的運(yùn)算放大電路，進(jìn)行選擇，如圖3所示。

    (3)譯碼顯示電路。74LS248是BCD一七段譯碼器，適用于共陰極管子；OC輸出、有2K上拉電阻、1電平驅(qū)動(dòng)，A～D是輸入端，a～g是譯碼輸出端。與共陰極數(shù)碼管接線(xiàn)如圖4所示。
    (4)脈沖產(chǎn)生電路。555時(shí)基電路，又稱(chēng)為555集成定時(shí)器，是一種將模擬功能和邏輯功能巧妙地集成在同一硅片上的新穎線(xiàn)性集成電路，一般采用陶瓷雙列直插封裝形式。在圖6所示的電路中，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的555時(shí)基電路工作于無(wú)穩(wěn)態(tài)(自激多諧振蕩)狀態(tài)，其輸出脈沖信號(hào)周期為：T=(R1+2R2)×C2×In2，頻率為其倒數(shù)。由此可見(jiàn)，要改變計(jì)數(shù)脈沖的頻率可以通過(guò)改變R1、R2和C2的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    在調(diào)試本電路時(shí)，一般在按下按鈕A1，通道變換一次的時(shí)間可適當(dāng)改變R1、R2或C2取值來(lái)選取。本次采用200ms為周期，可相應(yīng)調(diào)整。(如R1=280kΩ，R2=20kΩ，C2=1μF)振蕩電路構(gòu)成如圖5所示。

2 音量控制系統(tǒng)
2．1 實(shí)現(xiàn)功能
    1)用兩個(gè)按鍵控制音量，一個(gè)用于增加音量，一個(gè)用于減小音量；2)音量控制分為8檔，每按鍵一下，增加或減小一檔；3)當(dāng)音量增加(減小)到最大(最小)時(shí)，繼續(xù)按音量增減開(kāi)關(guān)無(wú)效，即音量被保持，不再繼續(xù)增(減)；4)持續(xù)按下按鍵，每200ms音量變化一檔；5)用一位LED數(shù)碼管顯示音量的大小。
2．2 電路總體原理框圖

2．3 電路工作原理
    音量控制系統(tǒng)由計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生器、雙向移位寄存器、編碼器、可變音頻衰減器和電流-電壓轉(zhuǎn)換器等部分組成(見(jiàn)圖6)。其工作原理如下：555及其外圍電路組成計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生器(圖5)，當(dāng)電路接通電源后，它將輸出一連串周期約為200ms的脈沖信號(hào)，送入寄存器CLK端，作為移位脈沖。兩片74LS194串接成8位雙向移位寄存器，通過(guò)74HC148對(duì)寄存器輸出進(jìn)行8-3優(yōu)先編碼，編碼后的輸出分別送入七段譯碼器74LS248和D／A轉(zhuǎn)換器DAC0832。按下A1，工作在加計(jì)數(shù)狀態(tài)，寄存器編碼后各位輸出依次變?yōu)楦唠娢唬碊AC0832輸入的數(shù)字量依次增大，從而使DAC0832對(duì)輸入音頻信號(hào)的衰減減小，達(dá)到增大輸出音量的目的，同時(shí)LED數(shù)碼管顯示音量，松開(kāi)按鈕A1后，移位寄存器停止工作，原來(lái)的計(jì)數(shù)狀態(tài)被鎖定，輸出音量保持不變。按下A2，工作在減計(jì)數(shù)狀態(tài)，工作原理與加計(jì)數(shù)狀態(tài)相反。DAC0832及其外圍元件組成可變音頻衰減器，其工作原理詳見(jiàn)DAC0832的工作原理。由于DAC0832的模擬輸出量為電流信號(hào)，因此電路中接一運(yùn)算放大器LM081作為電流，電壓轉(zhuǎn)換器，將輸出的模擬電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)輸出。
2．4 各部分電路原理
    (1)雙向移位寄存電路。74LS194是4位雙向移位寄存器，當(dāng)脈沖加到CLK端時(shí)，進(jìn)行移位操作，DSR和DSL分別為右移和左移串行數(shù)碼輸入端，Q0～Q7并行數(shù)碼輸出端，S0右移狀態(tài)，S1左移狀態(tài)控制端。級(jí)聯(lián)電路如圖7所示。(例如：按下A1寄存電路實(shí)現(xiàn)串行右移，按下A2時(shí)進(jìn)行串行左移)

    (2)音量控制電路。D／A芯片的功能是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與其成比例的模擬量，輸出模擬量的大小隨輸入數(shù)字量的不同而變化。  DAC0832是用CMOS工藝集成的8位數(shù)據(jù)輸入D／A芯片，具有20個(gè)引腳，其引腳排列如圖11所示，其輸出模擬量可有28=256個(gè)不同的等級(jí)。  DAC0832輸出與輸入的數(shù)字關(guān)系可以用下式表示：
   
    式中，D0～D7是輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”或“0”，VREF為參考電壓，RREF、R0為參考電阻。從上式可見(jiàn)，輸出電壓VOUT隨D0～D7取值不同成比例變化。如果用模擬輸入信號(hào)Vi取代參考電壓VREF，則可建立輸出電壓VOUT與模擬輸入信號(hào)Vi的比例關(guān)系，且該比例受控于數(shù)字量D0～D7，受控等級(jí)達(dá)256級(jí)，這就是后面介紹的數(shù)字式音量控制電路的依據(jù)。此處只要求8檔，所以只輸入D10～D12。電路連接如圖8。

    (3)編碼電路。74HC148是8-3優(yōu)先編碼器，當(dāng)E1=0時(shí)編碼器工作，0～7是數(shù)碼輸入端，A1～A2是編碼輸出端，引腳，真值表，如圖9所示。

    (4)譯碼及顯示電路。該電路可參照通道數(shù)字選擇系統(tǒng)中的譯碼及顯示電路(如圖4)。

3 總結(jié)
    數(shù)字式音響控制器完全是基于數(shù)字、模擬電子技術(shù)的基本知識(shí)設(shè)計(jì)的，主要采用了組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路，采用的元器件也都是平常時(shí)常接觸的集成電路。這次設(shè)計(jì)中主要選用的都是TTL電路，雖然其功耗大，兼容性不穩(wěn)定，但是應(yīng)用是十分廣泛的。經(jīng)過(guò)電路仿真和實(shí)物測(cè)試，此音響控制器可以廣泛應(yīng)用于數(shù)字音響設(shè)備中。