CN103888874A - 音频输入输出装置及音频输入输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种音频输入输出装置及音频输入输出方法，该装置包括微控制器以及音频输入端口、音频输出端口，微控制器的输出端口连接至数模转换器的输入端口，数模转换器的输出端口通过第一开关连接至第一运算放大器的第一输入端口，音频输入端口通过第二开关连接至第一运算放大器的第一输入端口，第一运算放大器的输出端口连接至电压比较器的第一输入端口，电压比较器的输出端口向微控制器输出比较电平，第一运算放大器的输出端口向第二运算放大器的第一输入端口输出信号，第二运算放大器的第一输入端口与第二运算放大器的输出端口之间连接有并联连接的第三开关与可调电阻。该方法是应用上述装置输出音频的方法。本发明实现内部音源与外部音频切换时不会产生噪音，且生产成本低。

Description

音频输入输出装置及音频输入输出方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，具体地，是一种音频输入输出装置以及这种音频输入输出装置的音频输入输出方法。 

背景技术

现在的音频播放设备，诸如MP3音乐播放器、手机等通常能输出多路不同的音频源的音频，例如，音频播放设备内集成有蓝牙芯片以及FM收音芯片，蓝牙芯片接收音频数据，FM收音芯片则通过无线电波接收FM音频信号，蓝牙芯片与FM收音芯片所输出的音频信号均可以通过音频播放设备播放。 

现有的音频播放设备通常设置一块音频主控芯片，并分别接收蓝牙芯片与FM收音芯片等外部音源芯片输出的音频信号，将接收的信号进行处理后驱动喇叭或者耳机工作。因为音频主控芯片与FM收音芯片等外部音源芯片通常是分别独立设计和制造，各自的音频直流电平难免有差异。在直流电平存在差异的情况下，如果FM收音芯片的模拟音频输出信号直接跟音频主控芯片模拟音频输入端连接，那么在内部音源和外部音源之间选择切换的时候，音频主控芯片的音频输出直流电平就会有突然的变化，喇叭或者耳机随之发出刺耳的爆破声。另外，如果外部音源的模拟音频交流信号幅度很大甚至接近满幅，那么直流电平的偏移会导致音频主控芯片的音频输出信号削波，喇叭或者耳机随之发出令人烦躁的削波噪声。此外，如果外部音源的音频直流电平和主控芯片的音频输出直流电平有差异，在调整音频输出交流信号幅度来调整音量时，直流电平的差值会叠加到音量调整幅度上。通常，直流电平的差值相对于音量调整步距大很多。在这种情况下，调整音量时，喇叭或者耳机就会发出明显音量调整噪声。上述的三种情况均产生较大的噪声，因此极大地影响听觉。 

因此，现有的一些音频播放设备的音频主控芯片的模拟音频输入端设有与音频主控芯片的模拟音频输出直流电平匹配的电平偏置电路。并且，FM收音芯片的左右声道都通过隔直电容与音频主控芯片的模拟音频输入端连接，如图1所示。FM收音芯片11的左声道通过隔直电容C1连接至音频主控芯片10的输入端口，右声道通过隔直电容C2连接至音频主控芯片10的输入端口。相同地，蓝牙芯片12的左声道通过隔直电容C3连接至音频主控芯片10的输入端口，右声道通过隔直电容C4连接至音频主控芯片10的输入端口。 

然而，随着电子技术的发展，音频播放设备的系统集成度越来越高，音频主控芯片与外部音源芯片的封装技术越来越先进的情况下，开始利用多芯片封装（MCP）技术将音频主控芯片和FM收音芯片垂直堆叠封装成一个封装片，进一步节省封装材料成本和产品焊接工序成本。但MCP技术仍然受到音频输入输出直流电平不匹配问题的限制。因此，采用MCP技术后，仍需要将FM收音芯片的左右输出声道引脚引出到MCP封装芯片的外侧，再连接至隔直电容，然后连接到MCP封装芯片中，跟音频主控芯片的音频输入引脚连接，这种做法大大增加了芯片的封装成本和难度。 

发明内容

本发明的主要目的是提供一种内部音源与外部音源切换时不会产生噪声且封装成本低的音频输入输出装置。 

本发明的另一目的是提供一种应用上述音频输入输出装置对音频输入输出的方法。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的音频输入输出装置具有微控制器以及音频输入端口、音频输出端口，其中，微控制器的输出端口连接至数模转换器的输入端口，数模转换器的输出端口通过第一开关连接至第一运算放大器的第一输入端口，音频输入端口通过第二开关连接至第一运算放大器的第一输入端口，第一运算放大器的第二输入端口接收参考电平发生器输出的参考电平，第一运算放大器的输出端口连接至电压比较器的第一输入端口，电压比较器的第二输入端口接收参考电平发生器输出的参考电平，电压比较器的输出端口向微控制器输出比较电平，第一运算放大器的输出端口向第二运算放大器的第一输入端口输出信号，第二运算放大器的第二输入端口接收参考电平发生器输出的参考电平，第二运算放大器连接至音频输出端口，第二运算放大器的第一输入端口与第二运算放大器的输出端口之间连接有并联连接的第三开关与可调电阻。 

由上述方案可见，音频播放设备的内部音源由微控制器输出音频信号并由数模转换器转换成模拟信号输出，外部音源芯片将音频信号输出至音频输入端口。通过三个开关的闭合与断开操作，并通过调节可调电阻的阻值，可使第二运算放大器的输出电平几乎不受第一运算放大器的输出电平的影响，在内部音源与外部音源之间切换时不会产生噪音。 

并且，由于外部音源芯片与音频输入输出装置之间不需要设置隔直电容，大大降低了芯片的封装难度与封装成本。 

为实现上述的另一目的，本发明提供上述音频输入输出装置的音频输入输出方法，包括设置启动电平步骤：调节微控制器向数模转换器输出的电平至启动电平，使第一运算放大器的输出电平、第二运算放大器的输出电平均等于参考电平；音频输出步骤：执行第一音频输出步骤以及第二音频输出步骤：第一音频输出步骤：在第一开关闭合，第二开关与第三开关断开的情况下将可调电阻的阻值调节至最小值，微控制器向数模转换器输出音频数据；第二音频输出步骤：在第一开关与第三开关断开，第二开关闭合的情况下将可调电阻的阻值调节至最小值，音频输入端口接收音频电平信号。 

由此可见，在音频输出步骤中，由于将可调电阻的阻值调节至最小值，第一运算放大器的输出电平对第二运算放大器的输出电平几乎不会有影响，从而避免内部音源与外部音源切换过程中出现的噪声。 

进一步的方案是，设置启动电平步骤包括断开第一开关与第二开关，闭合第三开关，参考电平发生器输出参考电平；闭合第一开关，调节微控制器向数模转换器输出的电平，直至电压比较器输出的比较电平翻转；闭合第二开关，调节微控制器向数模转换器输出的电平，直至电压比较器输出的比较电平翻转。 

可见，通过调节微控制器向数模转换器输出的电平，并且调节三个开关的状态，可以在电压比较器输出的比较电平翻转的时候查找到数模转换器最佳的启动电平。 

附图说明

图1是现有的音频输入输出装置的结构图。 

图2是本发明音频输入输出装置实施例与蓝牙芯片、FM收音芯片连接的电路图。 

图3是本发明音频输入输出装置实施例的电路图。 

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。 

具体实施方式

本发明的音频输入输出电路是诸如MP3音乐播放器、手机等的音频主控芯片，其能够播放内部的音频信号，并可以接收诸如蓝牙芯片、FM收音芯片的外部音源信号，并将内部音源信号或者外部音源信号输出至喇叭或耳机等。 

参见图2，本发明的音频主控芯片20与FM收音芯片21、蓝牙芯片22电连接，音频主控芯片20设有微控制器MCU、数模转换器DAC、参考电平发生器VCMG、电压比较器CMP、第一运算放大器AMP1、第二运算放大器AMP2，音频输入端口AIN接收FM收音芯片等外部音源芯片输出后的音频电平信号，音频输出端口AOUT向喇叭、耳机等输出音频信号。另外，音频主控芯片20设有四个电阻值固定的电阻R1、R2、R3、R4以及一个可调电阻R5，还设有三个开关S1、开关S2、开关S3。 

参见图3，微控制器MCU的输出端口与数模转换器DAC的输入端口电连接，向数模转换器DAC输出信号。音频主控芯片20播放内部音源时，微控制器MCU向数模转换器DAC输出后的信号为内部音源信号，数模转换器DAC将数字信号转换成模拟电平信号输出。 

数模转换器DAC通过开关S1连接至第一运算放大器AMP1的负输入端口，并且，数模转换器DAC与开关S1之间连接有电阻R1。音频输入端口AIN通过开关S2连接至第一运算放大器AMP1的负输入端口，且音频输入端口AIN与开关S2之间连接有电阻R2。 

第一运算放大器AMP1的正输入端口连接至参考电平发生器VCMG，由参考电平发生器VCMG输出参考电平                                                   

。第一运算放大器AMP1的负输入端口与输出端口之间连接有电阻R3，优选地，电阻R1、R2、R3的电阻值均相等。 

第一运算放大器AMP1的输出端口连接至电压比较器CMP的正输入端口，电压比较器CMP的负输入端口连接至参考电平发生器VCMG，接收参考电平发生器VCMG输出参考电平   

。电压比较器CMP的输出端口与微控制器MCU连接，向微控制器MCU输出比较电平。根据电压比较器CMP的特性，当其正输入端口的电平高于负输入端口的电平时，其输出高电平信号，当正输入端口的电平低于负输入端口的电平时，其输出低电平信号。 

第一运算放大器AMP1的输出端口通过电阻R4连接至第二运算放大器AMP2的负输入端口，第二运算放大器AMP2的正输入端口连接至参考电平发生器VCMG，接收参考电平发生器VCMG输出参考电平   

。第二运算放大器AMP2的输出端口与音频输出端口AOUT连接。并且，第二运算放大器AMP2的负输入端口与输出端口之间连接有并联连接的开关S3以及可调电阻R5。 

音频播放设备播放内部音源时，由微控制器MCU向数模转换器DAC输出音频数据，数模转换器DAC将数字信号转换成模拟的电平信号，音频主控芯片20的第一运算放大器AMP1与第二运算放大器AMP2将电平信号放大后输出，本发明定义此时的音频输出状态为DAC播放状态。为了确保音频播放质量，需要设置数模转换器DAC的启动电平，具体步骤如下： 

在初始状态下，即开关S1、S2断开，开关S3闭合的状态下，参考电平发生器VCMG的输出参考电平   

。因为开关S1、S2均断开，第一运算放大器AMP1的负输入端口悬空，根据第一运算放大器AMP1的特性，电阻R3无电流通过，所以节点1，即第一运算放大器AMP1的输出端口处的电压值   

与参考电平   

相等。此时，因为开关S3闭合，第二运算放大器AMP2的负输入端口与其输出端口短路，所以节点2，即第二运算放大器AMP2的输出端口处的电压值   

也与参考电平   

相等，所以有   

。

然后，闭合开关S1，即开关S1、S3闭合，开关S2断开。微控制器MCU向模数转换器DAC的输入端口输入数字信号，控制数模转换器DAC的输出端口输出直流电平   

，同时使能电压比较器CMP。根据第一运算放大器AMP1特性可以计算出第一运算放大器AMP1输出端口的电压值   

是： 

。

根据电压比较器CMP的特点可知：如果   

<   

，那么   

,电压比较器CMP输出高电平信号。如果   

 >    

，那么   

, 电压比较器CMP输出低电平信号。根据电压比较器CMP输出比较电平的信号，调节数模转换器DAC的直流电压值   

，结合第一运算放大器AMP1的特点可以改变电压比较器CMP的正输入端口的输入电压   

。 

如果当前电压比较器CMP输出高电平信号，可以增大数模转换器DAC的输出电平   

，   

电压值变小，直到   

，电压比较器CMP输出电压值由高电平变为低电平，即实现信号的翻转。 

如果当前电压比较器CMP输出低电平信号，可以降低数模转换器DAC输出的电平   

，   

电压值变大，直到   

，电压比较器CMP输出电压值由低电平变为高电平，也实现信号的翻转。 

当电压比较器CMP输出信号的状态翻转时，第一运算放大器AMP1的输出电压至   非常接近参考电平   

 ，可以认为此时    

。此时，微控制器MCU向数模转换器DAC的输入端口输入一个初始电平信号，数模转换器DAC输出直流电平信号   

，并且   

。 

接着，闭合开关S2，即开关S1、S2、S3都处于闭合状态，FM收音芯片21向音频主控芯片20的音频输入端口AIN输出其音频电平信号   ，根据第一运算放大器AMP1特性可以计算出： 

。

由于当前    

，可以得出 

。

根据电压比较器CMP的特点可知，如果   <    ，那么   ,电压比较器CMP输出高电平信号。如果   

 >    

，那么   

, 电压比较器CMP输出低电平信号。 

根据电压比较器CMP输出的信号，可以调节数模转换器DAC输出的电压值   ，结合第一运算放大器AMP1的特点可以改变电压比较器CMP的正输入端口的电压值   

。 

如果当前电压比较器CMP输出高电平信号，可以增大数模转换器DAC输出电压值   

，   

电压值变小，直到   

，电压比较器输CMP输出的电压值由高电平变为低电平。如果当前电压比较器CMP输出低电平信号，则降低数模转换器DAC输出的电压值   

，   电压值变大，直到   ，电压比较器CMP输出的电压值由低电平变为高电平。 

当电压比较器CMP输出电平的状态翻转时，   

电压值非常接近参考电平   

，可以认为此时    

。此时，微控制器MCU向数模转换器DAC的输入端口输入启动电平，数模转换器DAC则输出启动电平信号   

，此时   

，即第一运算放大器AMP1的输出电平、第二运算放大器AMP1的输出电平均等于参考电平。 

设置启动电平后，下面介绍从初始状态向DAC播放状态切换的步骤。在初始状态下，开关S1断开、S2断开，开关S3闭合。切换时，首先闭合开关S1，即开关S1、S3闭合，开关S2断开。然后，微控制器MCU向数模转换器DAC的输入端口输入初始的电平信号，控制数模转换器DAC的输出端口输出直流电平信号   

。此时，   

，即第一运算放大器AMP1的输出电平、第二运算放大器AMP1的输出电平均等于参考电平。 

然后，断开开关S3，此时开关S1闭合，开关S2、S3断开，则可调电阻R5两端电压相等，没有电流通过。接着，调节可调电阻R5的阻值至最小值。此时有： 

。

然后，微控制器MCU向数模转换器DAC的输入端口输出连续的音频数据，控制数模转换器DAC的输出端口输出音频电平信号   

。此时有   

。 

因为电阻R5的阻值非常小，第一运算放大器AMP1输出的电压值   

的变化几乎不会影响第二运算放大器AMP2输出的电压值   

。所以，数模转换器DAC输出音频电平信号由初始的电平信号   

变成音频输出时的   的过程，不会产生任何噪声。 

最后，调节可调电阻R5到适合阻值，让第二运算放大器AMP2输出的电压值   

跟随第一运算放大器AMP1输出的电压值   

变化，从而跟随   

的变化。此时，音频输出端口AOUT播放出音频信号，完成初始状态到DAC播放状态的切换过程。 

从DAC播放状态到初始状态的切换时，执行相反的操作，即调节可调电阻R5到最小值，让   

，音频输出端口AOUT停止播放出音频信号，然后，闭合开关S3，即开关S1、S3闭合，开关S2断开，最后，断开开关S1，即开关S1、S2断开，开关S3闭合即可。 

如音频主控芯片20接收外部的FM收音芯片21或者蓝牙芯片22输出的音频信号时，则由音频输入端口AIN接收音频电平信号，本发明称此时的播放状态为AIN播放状态。 

下面介绍从初始状态到AIN播放状态的切换。在初始状态下，开关S1断开、S2断开，开关S3闭合。切换时，首先闭合开关S1和开关S2，即三个开关S1、S2、S3均闭合。然后，微控制器MCU向数模转换器DAC的输入端口输入启动电平信号，控制数模转换器DAC的输出端口输出启动电平信号   

。FM收音芯片21向音频主控芯片20的音频输入端口AIN输出其音频直流电平   

，此时   。 

然后，断开开关S1、S3，即开关S1、S3断开，开关S2闭合可变电阻R5两端电压相等，无电流通过。调节可变电阻R5到最小值，此时有   

。 

FM收音芯片21向音频主控芯片20的音频输入端口AIN输出音频电平信号   

。此时有 

。

因为可调电阻R5的阻值非常小，第一运算放大器AMP1输出的电压值   

的电压值变化几乎不会影响第二运算放大器AMP2输出的电压值   

的电压。所以，FM收音芯片21输出音频电平信号由   变成   的过程，第二运算放大器AMP2输出的电压值   

电压不会发生波动，也就不会产生任何噪声。 

最后，调节可变电阻R5到适合阻值，即增大可调电阻R5的阻值，让第二运算放大器AMP2输出的电压值   

跟随第一运算放大器AMP1输出的电压值   的电压值变化，从而跟随   

变化。这样，音频输出端口AOUT播放出音频信号，完成初始状态到AIN播放状态的切换过程。 

从AIN播放状态到初始状态的切换时，执行相反操作，调节可变电阻R5到最小值，音频输出端口AOUT停止播放出音频信号。然后，闭合开关S3，即开关S1、S3闭合，开关S2断开，最后断开开关S1和开关S2，即开关S1、S2断开，开关S3闭合，即完成到初始状态的切换。 

由上述方案可见，本发明的音频输入输出电路能够平稳地实现从初始状态到内部音源播放状态的切换以及从初始状态到外部音源播放状态的切换，这样从内部音源播放状态切换到外部时不会产生噪音。并且，由于芯片封装时不需要设置隔直电容，芯片的封装简单，生产成本低。 

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如运算放大器、电压比较器具体电路结构的改变、各个电阻的电阻值的改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。 

Claims (10)

1.音频输入输出装置，包括：

微控制器以及音频输入端口、音频输出端口；

其特征在于：

所述微控制器的输出端口连接至数模转换器的输入端口，所述数模转换器的输出端口通过第一开关连接至第一运算放大器的第一输入端口，所述音频输入端口通过第二开关连接至所述第一运算放大器的所述第一输入端口，所述第一运算放大器的第二输入端口接收参考电平发生器输出的参考电平；

所述第一运算放大器的输出端口连接至电压比较器的第一输入端口，所述电压比较器的第二输入端口接收所述参考电平发生器输出的参考电平，所述电压比较器的输出端口向所述微控制器输出比较电平；

所述第一运算放大器的输出端口向第二运算放大器的第一输入端口输出信号，所述第二运算放大器的第二输入端口接收所述参考电平发生器输出的参考电平，所述第二运算放大器连接至所述音频输出端口；

所述第二运算放大器的所述第一输入端口与所述第二运算放大器的所述输出端口之间连接有并联连接的第三开关与可调电阻。

2.根据权利要求1所述的音频输入输出装置，其特征在于：

所述数模转换器的所述输出端口与所述第一开关之间连接有第一电阻；

所述音频输入端口与所述第二开关之间连接有第二电阻。

3.根据权利要求2所述的音频输入输出装置，其特征在于：

所述第一运算放大器的所述第一输入端口与所述第一运算放大器的所述输出端口之间连接有第三电阻；

所述第一电阻、所述第二电阻与所述第三电阻的阻值相等。

4.根据权利要求1至3任一项所述的音频输入输出装置，其特征在于：

所述第一运算放大器的所述输出端口与所述第二运算放大器的所述第一输入端口之间连接有第四电阻。

5.音频输入输出装置的音频输入输出方法，该音频输入输出装置具有微控制器以及音频输入端口、音频输出端口；

所述微控制器的输出端口连接至数模转换器的输入端口，所述数模转换器的输出端口通过第一开关连接至第一运算放大器的第一输入端口，所述音频输入端口通过第二开关连接至所述第一运算放大器的所述第一输入端口，所述第一运算放大器的第二输入端口接收参考电平发生器输出的参考电平；

所述第一运算放大器的输出端口连接至电压比较器的第一输入端口，所述电压比较器的第二输入端口接收所述参考电平发生器输出的参考电平，所述电压比较器的输出端口向所述微控制器输出比较电平；

所述第一运算放大器的输出端口向第二运算放大器的第一输入端口输出信号，所述第二运算放大器的第二输入端口接收所述参考电平发生器输出的参考电平，所述第二运算放大器连接至所述音频输出端口；

所述第二运算放大器的所述第一输入端口与所述第二运算放大器的所述输出端口之间连接有并联连接的第三开关与可调电阻

其特征在于：该方法包括

设置启动电平步骤：调节所述微控制器向所述数模转换器输出的电平至启动电平，使所述第一运算放大器的输出电平、所述第二运算放大器的输出电平均等于所述参考电平；

音频输出步骤：执行第一音频输出步骤以及第二音频输出步骤：

第一音频输出步骤：在所述第一开关闭合，所述第二开关与所述第三开关断开的情况下将所述可调电阻的阻值调节至最小值，所述微控制器向所述数模转换器输出音频数据；

第二音频输出步骤：在所述第一开关与所述第三开关断开，所述第二开关闭合的情况下将所述可调电阻的阻值调节至最小值，所述音频输入端口接收音频电平信号。

6.根据权利要求5所述的音频输入输出方法，其特征在于：

所述设置启动电平步骤包括：

断开所述第一开关与所述第二开关，闭合所述第三开关，所述参考电平发生器输出参考电平；

闭合所述第一开关，调节所述微控制器向所述数模转换器输出的电平，直至所述电压比较器输出的比较电平翻转；

闭合所述第二开关，调节所述微控制器向所述数模转换器输出的电平，直至所述电压比较器输出的比较电平翻转。

7.根据权利要求5或6所述的音频输入输出方法，其特征在于： 

所述第一音频输出步骤中，调节所述可调电阻的阻值前，闭合所述第一开关与所述第三开关，断开所述第二开关，所述微控制器向所述数模转换器输出信号。

8.根据权利要求5或6所述的音频输入输出方法，其特征在于： 

所述第二音频输出步骤中，调节所述可调电阻的阻值前，闭合所述第一开关、所述第二开关与所述第三开关，所述微控制器向所述数模转换器输出所述启动电平。

9.根据权利要求5或6所述的音频输入输出方法，其特征在于：

执行所述音频输出步骤后，增大所述可调电阻的阻值。

10.根据权利要求5或6所述的音频输入输出方法，其特征在于：

所述第二音频输出步骤中，所述音频输入端口接收的音频电平信号为外部音源芯片所输出的音频电平信号。

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