CN102497168B - 智能音量限制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能音量限制装置，包括：可变增益放大器，将输入的音频信号进行放大后输出至扬声器；以及输入端采样电路和/或输出端采样电路，输入端采样电路对输入到可变增益放大器的音频信号进行采样，输出端采样电路对可变增益放大器输出的音频信号进行采样；以及微处理器，根据输入端采样电路和/或输出端采样电路提供的采样信号，计算出控制可变增益放大器的放大倍数的控制信号，可变增益放大器根据微处理器提供的控制信号对输入的音频信号进行放大后输出。本发明通过对信号输入端或者输出端进行实时监控，实现对音频输出音量的实时限制。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能音量限制装置及方法，更具体地涉及到音响设备上的音量限制装置及方法。
背景技术
目前市场上的音频播放设备，音量都只可以手动调节；电视机、收音机在更换频道时，也会针对不同频道的音量差进行调节。但这些都只是音量调节技术，并不是音量限制技术。现有的音量限制技术，有两种。
一种是简单地限制最大输出电压，此方法会造成输出的声音严重失真。另一种是通过使用模数转换器(ADC)将模拟音频信号转换成数字音频信号，然后使用数字信号处理器(DSP)处理音频信号，再经过数模转换器(DAC)将数字音频信号转换成模拟音频信号。这样做有两个缺点：一是成本很难降低，二是音频输入到输出经过三个环节，会有一个延时，所以此技术无法适用于很多应用。为了降低成本，可以将以上所有功能集成入一颗芯片内。但由于芯片一旦设计好，功能就已经定型，所以无法适用于一些需要灵活配置的应用。但是由于设计芯片投入非常大，必须要非常大(至少几百万颗)的出货量才能收回成本。目前市场上这种芯片已大多停产。
另外，由于各方面原因，音频播放设备(如MP3播放器)的音频输出信号强度往往都不相同，同一播放器播放不同音乐的信号强度也会不同，同一首歌曲的不同段的音量差别有时甚至也会超过20dB。在有些音频播放的应用中，输出音量的强度需要严格地控制，防止输出音量过高从而对人体造成伤害。此时，单纯设定一个固定的功率放大倍数，已经无法适应这些对音量强度很敏感的应用。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种智能音量限制装置及方法，本发明通过对信号输入端或者输出端进行实时监控，实现对音频输出音量的实时限制。
实现本发明目的的技术方案如下：
智能音量限制装置，包括：可变增益放大器，将输入的音频信号进行放大后输出至扬声器；以及
输入端采样电路和/或输出端采样电路，输入端采样电路对输入到可变增益放大器的音频信号进行采样，输出端采样电路对可变增益放大器输出的音频信号进行采样；以及
微处理器，根据输入端采样电路和/或输出端采样电路提供的采样信号，计算出控制可变增益放大器的放大倍数的控制信号，可变增益放大器根据微处理器提供的控制信号对输入的音频信号进行放大后输出。
智能音量限制方法，包括以下步骤：
S1，微处理器获取来自于输入端采样电路和/或输出端采样电路的采样信号；
S2，微处理器根据系统设定对采样值进行处理；
S3，微处理器根据步骤2提供的数据，判断是否需要调整可变增益放大器的放大倍数，若不需调整，则返回步骤S1；
S4，若步骤S3的判断结果为是，则对可变增益放大器的放大倍数进行调整后返回步骤S1。
采用了上述方案，本发明通过对输出端的信号进行监控，可以直接采样到输出信号，数据最直接和真实。对输入端进行监控，可以对信号进行预警，消除单纯监控输出端时可能会产生的误判。在某些要求不高的应用中，可以只对输入端或输出端进行监控。通过微处理器对可变增益放大器的放大倍数进行控制，实现对音频输出音量的实时限制，最终使扬声器的发音在恒定的，能够防止输入信号的突变对人体造成伤害。本发明可以在不造成输出音频失真的情况下，在1毫秒内对过大的音频信号做出反应，进行调整。也可根据应用的要求，做适当的延时。对音频信号的调整，也可以是放大、减小及立即静音。本发明不但可以用于限制最大音量，也可以用于限制最小音量。本发明也可以扩展到其他需要对输出电压进行监控的应用中。
由于音频信号的频率范围是20-20kHz，要对其采样，采样频率至少要40kHz才行。由于目前的低成本智能微处理器的采样频率都低于10kHz，即使采样频率能达到40kHz，对大量数据进行处理也超出了低成本智能微处理器的能力。本发明只需要测量音频信号的强度，即信号的峰值，通过预处理电路将峰值电压保持一定时间，从而使微处理器可以及时采集到峰值电压。通过调整电阻和电容的值，可以调整充放电的时间常数，充电时间越短，系统反应速度越快；放电时间越长峰值电压保持的时间越长。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.兼顾了低成本和高灵活性；
2.通过更改采样电路及软件程序来适应不同应用的需求。
3.实时限制输出音量，即使是选择很低端的智能微处理器，最短反应延时也能低于1毫秒。反之，反应延时也可以延长到几天甚至几年，灵活性很大。
4.音频信号从输入到输出，没有经过任何模数-数模转化，延时可以控制在纳秒级。
5.可以使用耗电量更小的MCU，不需要使用DSP。
附图说明
图1为本发明智能音量限制装置的第一种实施方式的结构示意图；
图2为本发明的输入端采样电路和/或输出端采样电路的第一种实施方式的结构示意图；
图3为本发明的输入端采样电路和/或输出端采样电路的第二种实施方式的结构示意图；
图4为本发明的输入端采样电路和/或输出端采样电路的第三种实施方式的结构示意图；
图5为本发明智能音量限制装置的第二种实施方式的结构示意图；
图6为本发明智能音量限制装置的第三种实施方式的结构示意图；
图7为双声道采样电路的第一种实施方式的结构示意图；
图8为双声道采样电路的第二种实施方式的结构示意图；
图9为本发明智能音量限制方法的流程图；
图10为本发明智能音量限制方法的实施方式的流程图；
具体实施方式
实施方式一：
参照图1，本发明的第一种智能音量限制装置，由可变增益放大器12、输入端采样电路16、微处理器14组成。可变增益放大器10将输入的音频信号进行放大后输出至扬声器15，音频信号由音频信号源11发出，可变增益放大器包括PAM8803型芯片。音频信号源11可以是MP3播放器、CD播放器、DVD播放器、手机、iPad等等，也可以是某个设备内部的前级音频放大的输出端。信号源的音频信号可以是单端信号、差分信号、PWM差分信号三种。输入端采样电路对输入到可变增益放大器的音频信号进行采样。微处理器14根据输入端采样电路提供的采样信号，计算出控制可变增益放大器的放大倍数的控制信号，可变增益放大器根据微处理器提供的控制信号对输入的音频信号进行放大后输出。微处理器14为PIC16F506型芯片。
参照图2至图4，输入端采样电路包括对音频信号进行放大的运算放大电路，以及预处理电路24，将运算放大电路输出的峰值电压保持一定时间，从而使微处理器可以及时采集到峰值电压。运算放大电路为单端音频信号运算放大电路，或者差分音频信号运算放大电路，或者PWM差分音频信号运算放大电路。
参照图2，本发明的单端音频信号运算放大电路231，该单端音频信号运算放大电路包括第一电阻R1、第二电阻R2以及运算放大器U1，第一电阻R1与运算放大器U1的反相输入端连接，第二电阻R2的一端与运算放大器的反相输入端连接，第二电阻R2的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的同相输入端接地。
参照图3，本发明的差分音频信号运算放大电路232包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3，第一电阻R1与运算放大器U1的反相输入端连接，第二电阻R2的一端与运算放大器U1的反相输入端连接，第二电阻R2的另一端与运算放大器U1的输出端连接，第三电阻R3连接于运算放大器U1的同相输入端。
参照图4，本发明的PWM差分音频信号运算放大电路233包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一电容C1以及第二电容C2。第一电阻R1和第三电阻R2串连后与运算放大器U1的反相输入端连接，第二电阻R2的一端与运算放大器U1的输出端连接，第二电阻R2的另一端连接在第一电阻R1和第三电阻R3之间的结点处，第一电容C1连接在运算放大器U1的输出端与该运算放大器U1的反相输入端之间。第四电阻R4和第六电阻R6串连后与运算放大器U1的同相输入端连接，第五电阻R5的一端与运算放大器U1的输出端连接，第五电阻R5的另一端连接在第四电阻R4和第六电阻R6之间的结点处，第二电容C2连接在运算放大器U1的输出端与该运算放大器U1的同相输入端之间。
参照图2至图4，预处理电路24包括充电回路电阻R7、二极管D1、放电回路电阻R8以及充电电容C3，充电回路电阻R7的一端与二极管D1的阳极端连接，二极管D1的阴极端与充电电容C3的一端连接，充电电容C3的另一端接地，放电回路电阻R8的一端与二极管D1的阴极端连接，放电回路电阻R8的一端接地。
实施方式二：
参照图5，本发明的第二种智能音量限制装置，由可变增益放大器12、输出端采样电路13、微处理器14组成。可变增益放大器10将输入的音频信号进行放大后输出至扬声器15，音频信号由音频信号源11发出，可变增益放大器包括PAM8803型芯片。输出端采样电路13对可变增益放大器输出的音频信号进行采样。微处理器14根据输出端采样电路13提供的采样信号，计算出控制可变增益放大器的放大倍数的控制信号，可变增益放大器根据微处理器提供的控制信号对输入的音频信号进行放大后输出。微处理器14为PIC16F506型芯片。输出端采样电路13的结构形式与实施方式一中的图2至图4的相同，在此不在赘述。
实施方式三：
参照图6，本发明的第三种智能音量限制装置，由可变增益放大器12、输入端采样电路16、输出端采样电路13、微处理器14组成。可变增益放大器10将输入的音频信号进行放大后输出至扬声器15，音频信号由音频信号源11发出，可变增益放大器包括PAM8803型芯片。输出端采样电路13对可变增益放大器输出的音频信号进行采样，输出端采样电路16对可变增益放大器输出的音频信号进行采样。微处理器14根据输出端采样电路13提供的采样信号，计算出控制可变增益放大器12的放大倍数的控制信号，可变增益放大器根据微处理器提供的控制信号对输入的音频信号进行放大后输出。微处理器14为PIC16F506型芯片。输入端采样电路16以及输出端采样电路13的结构形式与实施方式一中的图2至图4的相同，在此不在赘述。
对于以上实施方式，其输入端以及输出端的采样电路均是单声道的形式，图7和图8示意出了双声道的采样电路，图7的采样电路中由两个左声道采样电路和右声道采样电路组成，左声道采样电路和右声道采样电路均包含了一个运算放大电路，左声道采样电路和右声道采样电路的运算放大电路共用一个预处理电路。图8的采样电路和图7所示的采样电路形式上相同。
智能音量限制方法，包括以下步骤：
S1，微处理器获取来自于输入端采样电路和/或输出端采样电路的采样信号；
S2，微处理器根据系统设定对采样值进行处理；对采样值的处理可以根据应用需求做更改，可选的处理方式可以但不限于以下：第1、对N个采样值(其中第N个之前的值可以是之前存储的，下同)做均方根运算；第2、对N个采样值求平均；第3、对N个采样值进行数字变换或数字滤波，如小波变换和傅立叶变换、巴特沃斯滤波、贝塞尔滤波等。根据不同的应用，以及处理器的性能选择适当的数据处理方式。
S21，微处理器判断输入的音量是否太小，若判断结果为是，则系统进入休眠状态后返回步骤S1；
S22，若步骤S21的判断结果为否，则微处理器判断输出的音量是否过大，若步骤S22的判断结果为否，进入到步骤S3；
S23，若步骤S22判断结果为是，则微处理器发出指令关闭可变增益放大器。
S3，微处理器根据步骤2提供的数据，判断是否需要调整可变增益放大器的放大倍数，若不需调整，则返回步骤S1；
S4，若步骤S3的判断结果为是，则对可变增益放大器的放大倍数进行调整后返回步骤S1。
Claims (5)
1.一种智能音量限制装置，其特征在于，包括：
可变增益放大器，将输入的音频信号进行放大后输出至扬声器；以及
输入端采样电路和/或输出端采样电路，输入端采样电路对输入到可变增益放大器的音频信号进行采样，输出端采样电路对可变增益放大器输出的音频信号进行采样；以及
微处理器，根据输入端采样电路和/或输出端采样电路提供的采样信号，计算出控制可变增益放大器的放大倍数的控制信号，可变增益放大器根据微处理器提供的控制信号对输入的音频信号进行放大后输出；
输入端采样电路或者输出端采样电路均包括：对音频信号进行放大的运算放大电路；以及
预处理电路，将运算放大电路输出的峰值电压保持一定时间，从而使微处理器可以及时采集到峰值电压，所述预处理电路包括充电回路电阻、二极管、放电回路电阻以及充电电容，充电回路电阻的一端与二极管的阳极端连接，二极管的阴极端与充电电容的一端连接，充电电容的另一端接地，放电回路电阻的一端与二极管的阴极端连接，放电回路电阻的一端接地。
2.根据权利要求1所述的智能音量限制装置，其特征在于，所述运算放大电路为单端音频信号运算放大电路，所述单端音频信号运算放大电路包括第一电阻、第二电阻以及运算放大器，第一电阻与运算放大器的反相输入端连接，第二电阻的一端与运算放大器的反相输入端连接，第二电阻的另一端与运算放大器的输出端连接，运算放大器的同相输入端接地。
3.根据权利要求1所述的智能音量限制装置，其特征在于，所述运算放大电路为差分音频信号运算放大电路，所述差分音频信号运算放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻以及第三电阻，第一电阻与运算放大器的反相输入端连接，第二电阻的一端与运算放大器的反相输入端连接，第二电阻的另一端与运算放大器的输出端连接，第三电阻连接于运算放大器的同相输入端。
4.根据权利要求1所述的智能音量限制装置，其特征在于，所述运算放大电路为PWM差分音频信号运算放大电路，所述PWM差分音频信号运算放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一电容以及第二电容；
第一电阻和第三电阻串连后与运算放大器的反相输入端连接，第二电阻的一端与运算放大器的输出端连接，第二电阻的另一端连接在第一电阻和第三电阻之间的结点处，第一电容连接在运算放大器的输出端与该运算放大器的反相输入端之间；
第四电阻和第六电阻串连后与运算放大器的同相输入端连接，第五电阻的一端与运算放大器的输出端连接，第五电阻的另一端连接在第四电阻和第六电阻之间的结点处，第二电容连接在运算放大器的输出端与该运算放大器的同相输入端之间。
5.根据权利要求1所述的智能音量限制装置，其特征在于，所述可变增益放大器包括PAM8803型芯片，所述微处理器为PIC16F506型芯片。
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