数字音频技术的原理与应用

1、河北科技大学学报Journalof Hebei University of Scienceand Technology第25卷第4期2004年12月Vol. 25,No.4Dec.2004文章编号：100別542(2004) 043059-05数字音频技术的原理与应用沙占友，刁彦华，孟志永（河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄050054）摘 要：介绍了 TAS3004型和TAS3001C型数字音频处理器,其中TAS3004型有48个引脚,而TAS3001C型内部主要由10部分组成；给出了由TAS3004和TAS3001C构成的数字音频系统框图；重点讨论了 TAS5000型音频功率放大器

2、及如何利用TAS5000进行6声道数字音频功率放大器的电路设计。关键词：数字音频处理器；电压放大器；编码解码；立体声功率放大器中图分类号:TN64文献标识码：A数字音频电压及功率放大器是高品质音响设备，也是国际上一项高新科技产品。它可使声音从音源的输入一直到扬声器的放音都保持数字格式，从而避免了传输模拟信号过程中所产生的失真、杂音、交流声及损耗。最近，美国德州仪器（TI）公司相继推出一批数字音频处理器,典型产品有TAS3001,TAS3001C, TAS3002和TAS3004,它们均属于带数字信号处理器 （DSP）的系统级芯片，具有完善的音频处理功能。纯数字 音频功率放大器包括 TAS500

3、0型数字音频脉宽调制器和 TAS5100型单声道/立体声数字功率放大器，可对音 源信号进行无失真的脉宽调制和功率放大，为开发声音逼真、清澈悦耳的高保真数字音响设备创造了有利条 件。数字音频技术可广泛用于数字电视、互联网音乐播放、PC机放音系统、数字手机以及多媒体会议系统等领域。1数字音频处理器1 1TAS3004型数字音频处理器TAS3004型数字音频处理器具有以下特点：1）它是一种带立体声编码解码电路的数字音频处理器。内含24位立体声模/数转换器（ADC）和24位立体声数/模转换器（DAC）,左、右声道各有一个32位的音频处理器。可工作在主机模式或从机模式。2）具有完善的音频处理功能，可对多

4、频段数字参数、 数字高/低音控制、动态范围压缩/扩展（DRCE）、音 量及动态低音控制进行编程。ADC的输出可设置成立体声数据流或非立体声数据流。3）具有模拟音频电 压输入/输出和串行数据输入/输出功能。数 字I/O包括I2C总线串行数 据输入， SPDIF口或USB 口串行数据输入；ADC串行数据输出，32位音频处理器串行数据输出，左、右声道立体声混合 数据输出。4）采用低频石英晶体，再利用锁相环（PLL）产生高频系统时钟，能大大减小外部高频干扰。采用两路+ 3.3 V电源分别给模拟电路和数字电路供电，工作温度范围是 0 70。TAS3004的内部结构框图见图 1,主要包括15部分：模拟输入

5、通道（含运算单元和门电路）；24位立 体声ADC；基准电源；模拟控制寄存器；输出格式控制逻辑；24位立体声DAC；两个32位音频信 号处理器（左、右声道各一个）；晶振/外时钟（OSC/CLK）选择电路；锁相环；左、右声道串行数据输入通 道；11主控制器；12|2C接口 ； 13GPI输入控制器；14模拟电源；15数字电源。它采用SPQFB48封装，共有48个收稿日期：200310-13;修回日期：200410-12;责任编辑：冯 民作者简介：沙占友（1944）,男,河北石家庄人，教授（享受国务院政府特殊津贴 ）,主要从事智能仪器及计算机测控技术方面的研究。1994-2012 C.Jiina A

6、cademic Juiiima.1 iLkctromc PllbllSiIlIlA fJousCh All rimte reserved, httn：冷昭)1第4期沙占友等数字音频技术的原理与应用#荃椎电施模拟电源数字电遁MMNRPamhp6-AINRMrawAi-期曲输A 控 制4一WJUNflN立俸声ADCHMNLM AMLM聊控制输出格式 控制逻辑b SDOUTO主號制器LtftX3 SDOFUSDATA4 SD0VT1*銀相环SC/CLKHUB图1TAS3004的内部结构框图Fig. 1 TAS3004block diagram雹5IrTA.- OSJO53KKJU3 XIX引脚。主要

7、引脚的功能如下：AVdd和AVss, DVdd和DVss之间分别接+ 3. 3 V的模拟电源、数字电源；LINA,LINB和RINA, RINB分别为左声道、右声道的差分音频电压输入端；SDIN1,SDIN2为SPDIF 口或USB 口串行音频数据输入端；I2C接口的CS1,SDA,SC_端依次接地址、串行数据和串行时钟 ；RESET为复位端。TEST为 测试端,可检查芯片的质量好坏，不用时需接DVss; PWR_DN为掉电端，接高电平时芯片进入低功耗的待机模 式。当IFM/ S= 0（低电平）时，选择主机模式，将石英晶体接在 XTALI/MCLK, XTALO端之间，从MCLKO, LR C

8、LK/ O, SCLK/O端分别输出主时钟、左/右声道时钟和移位时钟，可供其他TAS3004（从机）使用；当IFM/ S= 1 （高电平）时，选择从机模式，由外部主机给它提供时钟信号。AOUTL,AOUTR分别为左、右声道模拟输出端；VCOM为DAC的模拟输出端。SDOUTO,SDOUT1分别为DAC串行数据输出端和音频处理器的串行数据输出 端。L+ R SDOUT2为左、右立体声混合数据输出端。立体声模拟音频信号首先通过ADC转换成数字量，这样不仅能提高信噪比（NSR）,还为数字音频处理创造了条件。处理后的音频数据分成2路，第1路从SDOUT1端输出，可作为数字音频系统的音频源 ；第2路则通

9、过DAC变成模拟信号，再接数字音频电压放大器。ADC和DAC的带宽均为0 20 kHz,二者的信噪比分别第4期沙占友等数字音频技术的原理与应用61为 93 dB, 99dB。1.2 TAS3001C型数字音频处理器TAS3001C是32位数字音频信号处理器,能对参数均衡、低音、高音、音量及动态范围压缩进行控制,以获得高保真的音频效果，可作为TAS3004的从机使用。时# 发生器SCLKDVT* URCIKOITGAP-PLL f财坏PLL)内前时帥内部控制SQA 8CL C3ICS2图2 TAS3001C的内部结构框图Fig. 2 TAS3001Cblock diagramTAS3001C的内

10、部结构框图见图2,主要包括10部分：立体声音频输入接口 ；时钟发生器；锁相环； 数字混音器；数字参数EQ;数字高音/低音控制；数字音量控制；DRC比例系数；动态范围压缩2 2（DRC）; I C接口。利 用地址线CS1, CS2可将多片TAS3001C连接到I C总线上。例 如，使用3片 TAS3001C,再配上立体声数字放大器，即可构成6声道电压放大器，这6个声道分别为左、右声道，中央声道， 左后、右后声道，重低音声道。数字参数 EQ是由6个二阶IIR滤波器组成的，改变这些滤波器的系数，可构成带通滤波器，或低通、高通、全通、高低通滤波器。TAS3001C可对软音量、软静音、混音、高音、低音及

11、动态 范围压缩进行控制。TAS3001C的全部控制参数可通过I2C接口载入。使用多片 TAS3001C时，至少有1片2 2TAS3001C要接I C总线并工作在主机模式，其他芯片则工作在从机模式。I C总线的传输速率为100 kb/s。2数字音频系统的电路设计由TAS3004和TAS3001C构成的数 字音频系 统的框 图见图3。TAS3004的模拟 输入信 号可取 自CD, DVD、电视机、游戏机、因特网等音频源。经过数字处理后的信号分3路输出：第一路为立体声模拟电压输出,需接外部运算放大器进行电压放大；第二路送至TAS3001C进行数字音频处理，再经过PCM1744型数/模转换器和电压放大

12、器，输出中置或重低音电压信号 ；第三路为纯数字输出，依次通过TAS5000型音频脉宽调 制器、TAS5100型数字功率放大器，直接驱动左声道（CH1）、右声道（CH2）的扬声器。将 TAS3004设置成主机 模式,TAS3001C为从机模式，由TAS3004给TAS3001C提供12.28 MHz的主时钟（MCLK）、3. 072 MHz的移位 时钟（SCLK）和196.608 MHz的左、右声道时钟（LRCLK）,使电路得到了简化。利用89C51单片机给TAS3004和TAS3001C的寄存器中写入相应的参数 ，即可完成全部控制功能。需要说明几点：第一，若将TAS3004设置为从机模式，就必

13、须由外部给TAS3004提供系统时钟，电路势必 复杂，而且需采用特种高频器件（如CPLD或者ECL电路）来产生LRCLK时钟；第二，对正式产品而言，亦可 用E2PROM代替89C51单片机，预先写入 参数。在TAS3004和TAS3001C进行初始化 之后，即可自动读取 E2PROM中的参数,完成相应的功能；第三，SDIN1,SDN2端可通过SPDIF 口或USB 口接PC机，实现数字音频 系统与主系统的双向通信。3数字音频功率放大器TAS5000属于高性能、低价格的24位立体声数字音频脉宽调制器，可将输入的脉冲编码调制 （PCM）数据 转换成脉宽调制（PWM）数据,再经过TAS5100进行功

14、率放大，直接驱动扬声器发声。由于通过扬声器的是纯 数字信号,因此不存在杂音及交流声干扰。TAS5000的基本工作原理如下：从串行音频接口输入的立体声数JT +3.3V1- 模拟 输人SPDIF SB19C51时钟选择逻辑ADUTLA0UTRTAS3D04SDOUT1SDOUT2模拟输出敬字输出B-tV-EQ-Suh Vol电压输出TAS5000数字立体声 功率放大超CH2TAS5100模拟需出（从机損買） TAS30QIC中或重低 音电压输出图3由TAS3004构成的数字音频系统框图Fig. 3 TAS3004digital audiosystemblock diagram字音频信号，首先经过

15、数字滤波器滤掉干扰,然后进行脉宽调制，最后通过缓冲器 输出左、右声道的音频PWM信号,分别送给两片TAS5100进行功率放大。TAS5000内部主要包括振荡器、锁相环及时钟发生器、串行音频接口、内插式数字滤波器、均衡脉宽调制 器(PWM)、缓冲器和控制单元。TAS5000既可作为主机，亦可作为从机使用。在主机模式下，由芯片本身产生主时钟MCLK_IN,移位时钟SCLK和左、右声道同步时钟 LRCLK。在从机模式下,由另外一片工作在主机 模式下的TAS5000为其提供时钟信号。TAS5100主要包括两套低压调节器、差分输入电路、门驱动器、H桥路、故障检测与控制电路和带隙基准电压源。当功放系统发生

16、故障时，芯片能自动采取保护措施。举例说明，一旦欠电压，就迅速关断桥路输出。当芯片的温度超过110 时,输出一个温度报警信号。若温度超过130 ,就产生高温保护信号，强行关闭TAS5100,直到温度降至110以下才能重新启动。当故障过后，TAS5100又恢复正常工作状态。利用复位方式可清除所有故障状态。由TAS5000和TAS5100构成的数字音频功率放大器与国际品牌机的性能比较见表1。英国路遥930AX2020 00010.03英国NAD3062020 0000. 30.03日本爱华XA9505150 000+ 0-30. 9美国德州仪器TAS5000 和 TAS5100020 0000. 0

17、120.08表1几种音频功率放大器的性能比较Tab. 1 The performancecomparisonof audio poweramplifiers品 牌型 号频响范围/Hz通带不平坦度/dB总谐波失真THD/ %46声道数字音频功率放大器的电路设计1由3片TAS5000和6片TAS5100构成6声道(CH1 CH6)立体声数字音频功率放大器的电路框图见图4。数字音源可取自家庭影院DVD的6声道数字音频解码器。数字信号处理器(DSP)可选用TAS3004型音频处理器，信号处理内容包括杜比 AG3系统、数字影院系统(DTS)、音量、频率均衡(EQ)数字动态压缩范围第4期沙占友等数字音频技

18、术的原理与应用63(DRC)、低音、高音等。经过处理后的 3路数字信号分别送给 3片TAS5000,每片TAS5000再配两片TAS5100。 系统包括左、右声道，左、右环绕声道，中央声道和低音声道，6声道的总输出功率可达 180W。图4 6声道立体声数字音频功率放大器的电路框图Fig. 4 Six channelsstereodigital audio poweramplifier circuit block diagram当输入的音频信号fi=1kHz,扬声器阻抗ZL= 6 时，实测TAS5100的总谐波失真(THD)与输出功率 (Po)的关系曲线见图5。由图5可见，当Po在0.4 30

19、W范围内变化时，THD的最大值仅为0. 08% 。珀/W第4期沙占友等数字音频技术的原理与应用#第4期沙占友等数字音频技术的原理与应用#图5总谐波失真与输出功率的关系曲线Fig. 5 THD vs outpU power参考文献：1 沙占起，沙占友.一种功率放大器电路P.中国专利，ZL95107430, 200011-18.4-2012 ChinaJournal Electronic Pu汕ishingAll rights lesetved.(下转第71页)hlip1第4期曹跟华等光催化降解与直接光解玫瑰红废水的机理研究71DegradationPatternsof RoseRed uponT

20、iO2/ UV or UV1 1 2CAO Genhua , LI Erjie , WANG Suhong(1. Hebei Insititute of MeteorologicalSciences, ShijiazhuangHebei 050021,China; 2. ShjiazhuangCity Epidemic Preventionstation, Shijt azhuangdebei 050011,China)Abstract: Under the ultraviolet lamp, degradatin processof rose red byTiO2 is studied. I

21、n the experiment, three testingmeansUVVIS, TOC and COD are used respectively. ThroughUV VIS, functionscan be determinedandthe quantity of them are fixed also. TOC andCOD can indicate the extentdecompose)f Rose Red distinctly. Degradationpattern of Rose Red has been studied in this article. The two d

22、ifferent processeswith TiC2 or without TiC2 are compared.Key words: photocatalyticTiQ; degradatiorpattern; rose red wastdvater(上接第53页)PID FuzzyControlleron PLC Application in the Velocity Systems1 1 2HAN Bingxin , LIU L- xian , LI Yongwei(1. Departmenbf Electronic Engineering, ShijiazhuandRaiway Ins

23、ititute, ShijiazhuangHebei 050043,China;2. ScienceandTechnologyOf fice, Hebei Universty of ScienceandTechnology, ShijiazhuangHebei 050018, China)Abstract: This paperintroducesthe DC speed adjustmentsystemthrough PID Fuzzy conroller based on PLC, especiallyfor the application method in engineeringprojectfrom the principle of control, compositionand designfeature of systemand the flow chart of control. This system has higher stability and control precisionwith the popularizingvalue in the applicationof speedadjustmentsystem.Key words: PLC;PID Fuzzycontroller;DC speedadjustmentsyst