一種音頻信號自動調(diào)節(jié)控制器的設(shè)計與應(yīng)用

趙煥玲，王 超

（1.貴州職業(yè)技術(shù)學院，貴州 貴陽 550023；2.赤水市中等職業(yè)技術(shù)學校，貴州 遵義 564700）

0 概述

隨著信息化教學的快速發(fā)展，信息技術(shù)正在構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化有機結(jié)合的教育環(huán)境，架起一個無限開放的平臺，所有的教育資源正在實現(xiàn)互聯(lián)互通及便捷交流，信息技術(shù)在教育教學活動的各個領(lǐng)域和環(huán)節(jié)中的廣泛應(yīng)用，豐富了教學手段[1]，延展了教學范圍。

終端信息顯示和音頻聲音的呈現(xiàn)，讓課堂內(nèi)容變得更加豐富多彩[2]。在傳統(tǒng)音頻使用過程中，通過音頻設(shè)備拾音傳感器或AUX外部音頻輸入，直接通過擴音器、功率放大器等音頻擴音裝置，在音頻開始輸入時，不能自動控制，因二次諧波產(chǎn)生噪音較大，輸出聲音較大[3]。同時，在手動調(diào)節(jié)音量的過程中，容易產(chǎn)生嘯叫，長時間使用就有可能損傷人的聽覺神經(jīng)，造成噪聲污染。

為了正確、有效地使用音頻設(shè)備，達到綠色環(huán)保，滿足《中華人民共和國城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》要求，提出了使用LC諧振放大器及LC阻抗匹配的高頻濾波電路技術(shù)[3]，對FM無線話筒使用中產(chǎn)生的二次諧波進行抑制，減小外部噪聲[4]。同時，通過對ALPS雙聯(lián)B100K馬達電位器進行自動控制，實現(xiàn)對FM無線話筒音頻信號輸入的自動調(diào)節(jié)，限制音量的最大輸出。

1 技術(shù)方案

本技術(shù)方案由FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路及音量自動調(diào)節(jié)兩部分組成。FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路主要增強了無線話筒的拾音清晰度，發(fā)射頻率可在85 MHz～115 MHz之間調(diào)節(jié)，同時增加AUX音頻輸出接口，擴展了無線話筒的功能；在功放音頻電路中增加音量控制電路，通過馬達驅(qū)動芯片控制馬達電位器，控制開機音量和控制輸出最大音量。

1.1 FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路

FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路由MIC拾音傳感器、MIC音頻放大、AUX信號輸入電路、LC本振電路、高頻放大電路、LC濾波阻抗匹配等電路組成。FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路原理框圖如圖1所示。

圖1 FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路原理框圖

其中LC本振電路使用經(jīng)典電路，工作穩(wěn)定，頻率漂移小，高頻放大電路采用了LC諧振放大器，輸出部分使用LC阻抗匹配的高頻濾波對二次諧波抑制電路，設(shè)計自動拾音優(yōu)化電路，對FM無線話筒拾音傳感器采集的音頻進行自動優(yōu)化。FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路圖如圖2所示，PCB圖如圖3所示。

圖2 FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路原理圖

設(shè)計方案中，將FM發(fā)射頻率設(shè)定為85 MHz～115 MHz，使FM波段收音機或帶FM波段收音功能的設(shè)備都能接收，傳輸距離為100 m～1 000 m。

1.2 音量自動調(diào)節(jié)

音量自動調(diào)節(jié)由微控制器輸出PWM信號，控制馬達電位器，降低聲音，使輸出的音頻信號不大于60 dB。音量自動調(diào)節(jié)原理框如圖4所示。

音量自動調(diào)節(jié)選用了ALPS雙聯(lián)B100K馬達電位器作為音量控制開關(guān)，L9110S電機驅(qū)動芯片控制Alps馬達電位器，B100K馬達電位器旋轉(zhuǎn)扭矩不大于10 mN·m，B100K馬達電位器及引腳電氣特性如圖5所示。

圖5 B100K馬達電位器及引腳電氣特性

L9110S馬達驅(qū)動芯片是控制和驅(qū)動電機的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，外圍電路元器件少，成本低，兩個輸出端能直接驅(qū)動電機的正、反向運動及剎車，具有良好的抗干擾性，內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負載的反沖擊電流，在直流電機應(yīng)用過程中安全可靠。L9110S馬達驅(qū)動芯片引腳及功能如圖6所示，L9110S馬達驅(qū)動芯片引腳功能如表1所示。

圖6 L9110S馬達驅(qū)動芯片引腳及功能

表1 L9110S馬達驅(qū)動芯片引腳功能

其中，VCC為直流電機驅(qū)動電源，該電源由直流變壓器提供，當微控制器輸出PWM信號為正轉(zhuǎn)信號時，直流電機順時針方向轉(zhuǎn)動，此時電位計輸出電阻變大，當微控制器輸出PWM信號為反轉(zhuǎn)信號時，直流電機逆時針方向轉(zhuǎn)動，此時電位計輸出電阻變小。

2 工程應(yīng)用與試驗

2.1 FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路

按FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路PCB圖進行電路印制板制作，電氣焊裝元器件，F(xiàn)M無線話筒自動拾音優(yōu)化電路板調(diào)試完成，F(xiàn)M無線話筒自動拾音優(yōu)化電路板如圖7所示。

圖7 FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路板

2.2 PLAS馬達電位器遙控電路

將揚聲器手動調(diào)節(jié)音量更換成PLAS馬達電位器遙控電路板，如圖8所示。

圖8 PLAS馬達電位器遙控電路板

其中，圖8（a）為單個PLAS馬達電位器遙控電路板，圖8（b）為將“總音量”“高音”及“話筒音量”三路集成于一體的PLAS馬達電位器遙控電路板，實現(xiàn)音量自動調(diào)節(jié)。同時，使用18 V直流變壓器給電源PLAS馬達電位器遙控電路板供電。

2.3 自動調(diào)節(jié)試驗

將FM無線話筒自動拾音優(yōu)化電路板安裝在無線話筒中，對PLAS馬達電位器遙控電路板馬達電位器對應(yīng)置入揚聲器“總音量”“高音”及“話筒音量”開關(guān)；然后，將外部輸入音頻信號、FM無線話筒信號等音頻輸出信號接入功放電路中，最后接入揚聲器，對音量自動調(diào)節(jié)進行試驗。音量自動調(diào)節(jié)試驗框圖如圖9所示。

其中，AUX外部音頻采用FM調(diào)頻收音機輸出的音頻，F(xiàn)M無線話筒采用普通FM無線話筒MIC拾音傳感器輸出音頻，功放電路及揚聲器均采用普通市購產(chǎn)品。

圖9 音量自動調(diào)節(jié)試驗框圖

為了滿足《中華人民共和國城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》要求，首先按輸出音量最大分貝值為60 db，對馬達電位器輸出的最小電阻及最大值進行設(shè)定，使PLAS馬達電位器遙控電路板對馬達電位器驅(qū)動范圍受限。

按FM無線話筒音頻與AUX外部音頻的兩種音頻輸入方式及不同應(yīng)用場景等進行音頻音量自動調(diào)節(jié)試驗。試驗過程如下：

1）FM無線話筒音頻自動調(diào)節(jié)試驗。將普通話筒FM無線MIC拾音傳感器接入自動拾音優(yōu)化電路的音頻輸入接口，通過MIC拾音傳感器輸出音頻輸入到自動拾音優(yōu)化電路中，經(jīng)過優(yōu)化后的音頻信號通過音量自動調(diào)節(jié)電路，按音頻信號的輸入阻抗，PLAS馬達電位器遙控電路板驅(qū)動馬達，使PLAS馬達電位器自動調(diào)節(jié)輸入阻抗，輸入音頻通過音量自動調(diào)節(jié)電路后，輸出音頻通過后續(xù)功放電路、揚聲器輸出音量為60 dB。

2）AUX外部音頻自動調(diào)節(jié)試驗。將FM調(diào)頻收音機輸出的音頻輸出接入自動拾音優(yōu)化電路的音頻輸入接口，調(diào)試FM調(diào)頻收音機接收的頻道音頻，通過音頻輸出端進入自動拾音優(yōu)化電路中，經(jīng)優(yōu)化后的音頻信號接入音量自動調(diào)節(jié)電路，完成音量自動調(diào)節(jié)處理，最后功放電路、揚聲器輸出音量為60 dB。

3）應(yīng)用場景試驗。按學校、機場、車站等不同應(yīng)用場景，對音頻信號自動調(diào)節(jié)控制器進行音頻自動拾音優(yōu)化及對音量自動調(diào)節(jié)功能進行試驗。

2.4 試驗結(jié)果

通過使用音頻信號自動調(diào)節(jié)控制器，對音頻接收播放裝置改裝后，在不同環(huán)境、應(yīng)用場景下進行試驗，試驗過程中，F(xiàn)M無線MIC拾音傳感器無線話筒拾音清晰，去噪能力強，傳輸穩(wěn)定，轉(zhuǎn)播效率高；PLAS馬達電位器遙控電路對輸入音頻音量實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，控制平緩；經(jīng)過設(shè)置的開機音量及輸出的最大音量，避免了因人工調(diào)節(jié)產(chǎn)生的嘯叫，音量輸出穩(wěn)定。

由于FM發(fā)射頻率及傳輸距離僅為方案設(shè)計中的設(shè)定值，未對其他發(fā)射頻率及傳輸距離進行針對性試驗，在后續(xù)試驗中需要進一步完善。

3 結(jié)束語

通過試驗結(jié)果表明：1）音頻信號自動調(diào)節(jié)控制器適用于學校、會議室、家庭音箱、電視機、公共廣播系統(tǒng)（地鐵、汽車客運站、候車室）等。同時，音頻信號自動調(diào)節(jié)控制器帶有AUX音頻輸入接口，可用于播放手機、平板、電腦上的音頻信號，轉(zhuǎn)播效果好，無雜音。2）通過遙控按鍵調(diào)節(jié)馬達電位器輸出的最小電阻，適當調(diào)整開機及最大音量，可以滿足不同使用環(huán)境要求。同時，使用音量控制顯示屏，能夠達到音量數(shù)字化可控，在后續(xù)工程應(yīng)用中方案需要進一步改進及完善，提升工程應(yīng)用人機對話水平。3）音頻信號自動調(diào)節(jié)控制器使用L9110S電機驅(qū)動芯片，外圍電路簡單，元器件使用少，成本低，能夠滿足控制電路小型化的工程應(yīng)用需求。