数字式音响控制器的原理及设计

0 引言
    本设计的基本思路是分两个系统一通道选择系统和音量控制系统进行设计，然后进行整合。这样分系统的设计，大大降低了设计复杂度，各系统的设计和修改只影响系统本身，而不会影响其他系统，这样就使电路有了局部性。系统的原理框图如图1所示。

    系统的设计没有考虑输入设备，输入的音频信号不予以考虑，默认是优良的音频信号；在这里将输入的8个音频输入进行选择以达到8种音效，我们通过一级放大电路将选择的音频送入到音量控制系统，这之间的传输采用的是直接耦合，直接连接到了音量控制电路的输入端，之后进行音量的自由选择，这样就实现了音效和音量的控制。

1 通道选择系统
1．1 系统实现功能
    1)对8个通道实行选择；2)通道选择用按键实现，按一次，通道选择加1，加至第8通道，再按回到第1通道；3)持续按下按键，每200ms转下一个通道；4)一位LED实现通道选择的显示。
1．2 电路总体框图

1．3 系统工作原理
    通道选择系统由计数脉冲发生器、二进制计数器、数据分配器等部分组成。原理图见附录图示。其工作原理如下：555及其外围电路组成计数脉冲发生器，当电路接通电源后，它将输出一连串周期约为200ms的脉冲信号，通过按钮A1将脉冲信号送入加法计数器74LS161作为计数脉冲；计数器输出送入作为数据分配器使用的74LS138，通过数字输出控制“电子开关”，对与“电子开关”相连接的各个通道进行选择输出；同时计数器输出到译码显示电路，进行通道选择的数字显示。按下A1，工作加法计数状态，计数器输出按BCD码依次变为高电平，数据分配器按照计数器送入的BCD码分配相应的数据，控制相应“电子开关”对通道进行选择，进而实现对通道的数字控制选择；同时LED数码管显示所选通道。(例如：按下A1持续450ms，计数器记录为2，相应BCD码为010，送入数据分配器，则要分配控制第2通道开启，选择第2通道的音频输入；LED数码管显示为2)
1．4 各部分电路原理
    (1)计数器电路。74LS161是四位同步加法计数器，当时钟脉冲信号施加于CP端时，进行加法计数开始计数。CO是进位信号输出端，可供级联使用；PE控制P0～P3并行数据输入，Q0～Q3是计数器状态输出端。
    (2)通道选择电路。74LS138是3-8译码器和分配器，当E3=1，且E1=E2=0时分配器工作，A0～A3是输出控制端，Y0～Y7是输出端。“电子开关”采用两支NPN和PNP三极管和前置运放构成，由Y0～Y7经过反相器74LS04后控制，开关输出通过控制各通道经过的运算放大电路，进行选择，如图3所示。

    (3)译码显示电路。74LS248是BCD一七段译码器，适用于共阴极管子；OC输出、有2K上拉电阻、1电平驱动，A～D是输入端，a～g是译码输出端。与共阴极数码管接线如图4所示。
    (4)脉冲产生电路。555时基电路，又称为555集成定时器，是一种将模拟功能和逻辑功能巧妙地集成在同一硅片上的新颖线性集成电路，一般采用陶瓷双列直插封装形式。在图6所示的电路中，产生计数脉冲的555时基电路工作于无稳态(自激多谐振荡)状态，其输出脉冲信号周期为：T=(R1+2R2)×C2×In2，频率为其倒数。由此可见，要改变计数脉冲的频率可以通过改变R1、R2和C2的值来实现。
    在调试本电路时，一般在按下按钮A1，通道变换一次的时间可适当改变R1、R2或C2取值来选取。本次采用200ms为周期，可相应调整。(如R1=280kΩ，R2=20kΩ，C2=1μF)振荡电路构成如图5所示。

2 音量控制系统
2．1 实现功能
    1)用两个按键控制音量，一个用于增加音量，一个用于减小音量；2)音量控制分为8档，每按键一下，增加或减小一档；3)当音量增加(减小)到最大(最小)时，继续按音量增减开关无效，即音量被保持，不再继续增(减)；4)持续按下按键，每200ms音量变化一档；5)用一位LED数码管显示音量的大小。
2．2 电路总体原理框图

2．3 电路工作原理
    音量控制系统由计数脉冲发生器、双向移位寄存器、编码器、可变音频衰减器和电流-电压转换器等部分组成(见图6)。其工作原理如下：555及其外围电路组成计数脉冲发生器(图5)，当电路接通电源后，它将输出一连串周期约为200ms的脉冲信号，送入寄存器CLK端，作为移位脉冲。两片74LS194串接成8位双向移位寄存器，通过74HC148对寄存器输出进行8-3优先编码，编码后的输出分别送入七段译码器74LS248和D／A转换器DAC0832。按下A1，工作在加计数状态，寄存器编码后各位输出依次变为高电位，即DAC0832输入的数字量依次增大，从而使DAC0832对输入音频信号的衰减减小，达到增大输出音量的目的，同时LED数码管显示音量，松开按钮A1后，移位寄存器停止工作，原来的计数状态被锁定，输出音量保持不变。按下A2，工作在减计数状态，工作原理与加计数状态相反。DAC0832及其外围元件组成可变音频衰减器，其工作原理详见DAC0832的工作原理。由于DAC0832的模拟输出量为电流信号，因此电路中接一运算放大器LM081作为电流，电压转换器，将输出的模拟电流信号变换为电压信号输出。
2．4 各部分电路原理
    (1)双向移位寄存电路。74LS194是4位双向移位寄存器，当脉冲加到CLK端时，进行移位操作，DSR和DSL分别为右移和左移串行数码输入端，Q0～Q7并行数码输出端，S0右移状态，S1左移状态控制端。级联电路如图7所示。(例如：按下A1寄存电路实现串行右移，按下A2时进行串行左移)

    (2)音量控制电路。D／A芯片的功能是将输入的数字量转换成与其成比例的模拟量，输出模拟量的大小随输入数字量的不同而变化。  DAC0832是用CMOS工艺集成的8位数据输入D／A芯片，具有20个引脚，其引脚排列如图11所示，其输出模拟量可有28=256个不同的等级。  DAC0832输出与输入的数字关系可以用下式表示：
   
    式中，D0～D7是输入的二进制数据“1”或“0”，VREF为参考电压，RREF、R0为参考电阻。从上式可见，输出电压VOUT随D0～D7取值不同成比例变化。如果用模拟输入信号Vi取代参考电压VREF，则可建立输出电压VOUT与模拟输入信号Vi的比例关系，且该比例受控于数字量D0～D7，受控等级达256级，这就是后面介绍的数字式音量控制电路的依据。此处只要求8档，所以只输入D10～D12。电路连接如图8。

    (3)编码电路。74HC148是8-3优先编码器，当E1=0时编码器工作，0～7是数码输入端，A1～A2是编码输出端，引脚，真值表，如图9所示。

    (4)译码及显示电路。该电路可参照通道数字选择系统中的译码及显示电路(如图4)。

3 总结
    数字式音响控制器完全是基于数字、模拟电子技术的基本知识设计的，主要采用了组合逻辑电路和时序逻辑电路，采用的元器件也都是平常时常接触的集成电路。这次设计中主要选用的都是TTL电路，虽然其功耗大，兼容性不稳定，但是应用是十分广泛的。经过电路仿真和实物测试，此音响控制器可以广泛应用于数字音响设备中。