基于I2C总线的音频处理芯片设计

陶霞菲

(浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 311231)

随着音响的普及，越来越多的智能型音频处理芯片被使用。这种智能型芯片大都是通过总线方式来实现控制的。本文设计了一种基于I2C总线的音频处理芯片，通过I2C来控制音量、音调、平衡度和响度。

1 芯片功能与原理

1.1 芯片功能

该芯片具有音量、音调(低音、高音)、平衡度(左、右)和响度(前、后)控制的音频处理电路，适用高品质的汽车收、放音机和高保真的音响系统中；提供了输入增益选择和外部响度控制功能；所有的控制均通过可与微机连接的串行I2C总线来操作；通过外接阻容网络和内部运放的配合，可设置各种交流幅频特性。具有以下主要特点：

(1)含有输入多路选择器：3路立体声信号输入；输入增益可设置为与各种信源进行最值匹配。

(2)四声道衰减器：4个声道可独立控制，对平衡度和响度进行每级1.25 dB的衰减和提升，独立的静音控制功能。

(3)所有的功能均通过串行I2C总线控制。

(4)有响度控制功能。

(5)音量控制每级 1.25 dB。

(6)高音和低音控制。

(7)输入端与输出端可与外部均衡器和噪声抑制电路匹配。

1.2 芯片内部原理结构

内部原理结构图如图1所示。

1.2.1 时序

(1)I2C总线接口[1-2]

微处理器与芯片之间的相互数据传送与交换通过2线的I2C总线实现。该总线界面含有数据(SDA)和时钟(SCL)2个端子，此2端子都必须接上拉电阻至正电源。

(2)数据的有效传送

如图2所示，SCL时钟线为高电平时，SDA数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线为低电平时，数据才允许变化。

图2 SDA与SCL之间关系

(3)起始和结束状态

如图3所示，起始状态的标志是SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平转换；结束状态的标志是SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平转换。

图3 起始与结束时的状态

(4)字节的构成

通过SDA数据线传送的每个字节必须是8位，每1个字节之后必须紧跟1个应答位。字节的最高位最先传送。

(5)应答信号

主控制器(单片机)在应答时钟脉冲期间将SDA数据限制为高阻态的高电平。被控制器件在应答时，必须在应答时钟脉冲期间将SDA数据线拉为低电平，并在此脉冲期间一直保持为低电平。

已进行地址编码的音频处理器在收到每1个控制字节信号时，都必须给出应答信号；否则，SDA数据线在应答时钟脉冲期间将维持在高电平，这时，主控制器将会发出停止信号以中断信号的传送。

1.2.2 接口协议

(1)传输起始条件。

(2)地址码。电路在每次收到1个字节的传送信号后，必须给出1个应答信号。

(3)数据信号的顺序(N个字节的数据+应答信号)

(4)传输结束条件。起始状态的标志是SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平转换；结束状态的标志是SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平转换。

(5)传输格式如图4所示。

1.2.3 音量控制

音量大小根据需要通过音量控制电路随时调节，其线路结构如图5所示，是由2个衰减器单元和缓冲器组成。衰减器单元包括电阻和模拟开关[3]。衰减器A在0～70 dB范围内每级衰减10 dB。衰减器B在0～8.75 dB范围内每级衰减1.25 dB。合计衰减量为0～78.75 dB，每级1.25 dB。

1.2.4 音调控制

音调是指具有特定且通常是稳定高音的信号（声调高低的程度）。它主要取决于频率和声音强度。频率高的声音人耳的反应是音调高，而频率低的声音人耳的反应是音调低。

音调控制[4]包括高音音调控制和低音音调控制两部分。音调控制实际上是高、低通线路，通过调节频率特性曲线就可以达到调节音调的目的。

高、低音音调控制结构分别如图6、图7所示。

1.2.5 响度控制

响度控制的作用是低音量时提升高频和低频声。由于人耳在低音量时对高频声、特别是低频声的听觉灵敏度差，在小音量下，对低音和高音的听音灵敏度远比中音低，这样便感觉乐曲低音不丰富，高音不明亮，相对会感到中音的输出大，这对必须在小音量下听音来说很不理想。要求在低音量时对高频和低频进行听觉补偿，即要求对低频有较大提升，对高频也有一定量的提升。可以引入响度补偿电路，该电路能在小音量时提升低音、高音的音量，响度补偿也称等响度控制。

等响度控制如图8所示，等响度抽头连接在第8级处。等响度可以通过控制I2C总线设置是否打开以及等响度的程度来控制。

图6 高音音调控制结构图

图7 低音音调控制结构图

图8 等响度控制结构图

1.3 应用线路

总体应用线路图如图9所示。该芯片广泛应用于汽车音响、CD、VCD 等有音源的处理系统中。可接3个音源设备，输出4个通道。

2 测试结果

该芯片采用CMOS工艺，经过流片、测试。测试结果分别如图 10～图 13所示。从图中可以得出，总谐波失真小、信噪比高、噪声低、分离度高。

本文介绍的基于I2C总线的音频处理芯片，该芯片具有音量、音调(低音、高音)、平衡度(左、右)和响度(前、后)控制。 所有的控制均通过可与微机连接的串行I2C总线来操作。测试结果表明，采用该芯片组成的系统具有总谐波失真小、信噪比高、噪声低、通道分离度高等特点。

[1]Philips Semiconductors.The I2C-bus specification[S].Philips semiconductors standard version 2.1.January，2000.

[2]Two-wire bus-system comprising a clock wire anda data wireforinter-connecting anumberofstations[P].US Patent Number：4689740.

[3]ALLEN P E，HOLBERG D R.CMOS analog circuit design[M].Oxford University Press， Inc.， 2002.

[4]RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].The MeGraw-Hill Compannies，Inc.2001.