CN118174726A - 一种具有电压补偿功能的耳机用r-2r型dac放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有电压补偿功能的耳机用R‑2R型DAC放大器，集成了电压补偿功能。采用经典的R‑2R电阻网络结构进行数字信号到模拟信号的转换，并通过精密电压检测模块、电压比较模块和调压控制模块实现闭环反馈控制，对输出电压进行实时精确补偿。装置具备校准模式，在此模式下系统接受全频率和音量范围的扫频数字信号并生成误差数据库；在播放模式中，无论是音频文件还是视频文件，都能利用预存的误差数据快速调整输出电压，有效降低延迟并提高模拟信号输出精度。这一具有电压补偿功能的R‑2R型DAC放大器旨在克服传统R‑2R DAC存在的失真和精度问题，以提供更高品质和稳定性的音频输出体验。
Description
技术领域
本发明涉及耳机放大器领域，具体涉及一种具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器。
背景技术
所谓R-2R解码，是指R-2R电阻梯形网络解码架构，也称之梯形解码(Ladder DAC)或R-2R Ladder DAC。整个解码线路是以电阻组合而成，透过逻辑开关，根据输入讯号把对应不同位的逻辑闸进行开合，使电流通过不同组合电阻而得出不同的输出电压。R-2R解码的优点就是它比传统简单的解码器所需要的电阻数量少得多，以一个24bit解码器来说，一共有2^24(即16777216)个不同的输出电压，如果采用R-2R架构，只需48枚电阻而已。然而R-2R架构的效能取决于电阻的素质，包括电阻值的精确程度，所以设计如此简单的R-2R解码，只要每一枚电阻的电阻值都能够做到极少的偏差，电压输出值也必然准确，靓声也是必然的。不过，要做到那么大量电阻保持在一个低误差的水平并不容易，所涉及的工序是非常繁复，生产成本高。
R-2R数模转换把模拟波形表示为一个幅度信号，半个量化梯度就是精度误差，大信号时的影响不是主要的，在小信号时，影响会变大而不可忽略，不可避免的将产生差分非线性误差，和信号有关联，就成为了失真。因为非线性的程度是跟随信号幅度变化而变化的，所以后期也比较难以处理。R-2R数模转换还不可避免的会产生过零失真。每当最高位电阻上的电压发生变化时(从0到1，或相反)，必然会引起输出电压极性的变化(从正到负，或相反)，由于电阻误差的存在，外加电阻网络内部的电阻的同时切换，会在过零点引起差分非线性失真和短暂的电涌，产生过零失真。
由此如何实现对于R-2R的补偿是提高音频质量的一个重要问题，急需解决。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，包括R-2R算法模块、R-2R电阻网络模块和电压补偿模块。
R-2R电阻网络模块用于将数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置R-2R算法，R-2R算法根据输入的数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；
通过将针对同一输入的R-2R电阻网络模块的实际输出电压和R-2R算法模块计算的理论电压比较，并基于比较结果使用电压补偿模块对R-2R电阻网络模块实际输出的电压进行补偿，将补偿后的电压进行输出实现具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器工作。
进一步的，DAC放大器还包括I2S音频接口、精密时序控制模块、精密电压检测模块、电压比较模块、调压控制模块和输出接口；
进一步的，精密时序控制模块连接I2S音频接口、R-2R算法模块、R-2R电阻网络模块、精密电压检测模块、电压比较模块、电压补偿模块和调压控制模块，用于对整个数字信号进行时序控制，保证音频信号在各个模块中处理的时序一致；
精密电压检测模块对R-2R电阻网络模块的输出信号进行精密检测，并将其与R-2R算法模块计算的理论电压值同时输入电压比较模块进行电压比较；
电压比较模块计算R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
调压控制模块连接电压补偿模块，调压控制模块和电压补偿模块对输出电压进行补偿，使得经过补偿后的实际输出电压更接近R-2R算法模块计算的理论电压值；
对R-2R电阻网络模块输出的电压进行补偿后经过输出接口进行输出。
进一步的，所述R-2R电阻网络模块为16、24或者32位的R-2R电阻网络模块。
进一步的，时序控制包括两步骤时序控制，具体过程为：
在R-2R算法模块理论计算完成后，开始通过精密电压检测模块采样R2R电阻网络的实际输出电压；确保采样的时刻与R2R电阻网络输出电压的时间同步，以得到准确的实际值；
在电压补偿模块前设置一延迟，保证电压比较模块获取比较结果后，将结果输入调压控制模块，调压控制模块输出的调节电压值与电压补偿模块中的实际电压同步；从而保证电压补偿的准确性。
进一步的，电压比较模块输出一个调控电压的数字信号，调控电压的数字信号为2进制数字信号，调控电压的数字信号输入调压控制模块后输出一个用于补偿的补偿电压；
补偿电压进入电压补偿模块后于R-2R电阻网络模块的输出电压进行加和，从而实现对R-2R电阻网络模块输出电压的补偿。
进一步的，所述调压控制模块内设置一个微型补偿电阻网络，微型补偿电阻网络也是R-2R架构；
微型补偿电阻网络的参考电压为R-2R电阻网络模块的12.5％、25％或50％，以保证微型补偿电阻网络在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度；
或者，
微型补偿电阻网络的参考电压与R-2R电阻网络模块相同，且微型补偿电阻网络电压输出后通过一分压电路将微型补偿电阻网络输出电压降低至12.5％、25％或50％，以保证微型补偿电阻网络在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度。
进一步的，所述调压控制模块内设置一个电流舵型数模转换器；
电流舵型数模转换器的参考电压为R-2R电阻网络模块的12.5％、25％或50％，以保证电流舵型数模转换器在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度；
或者，
电流舵型数模转换器的参考电压与R-2R电阻网络模块相同，且电流舵型数模转换器电压输出后通过一分压电路将微型补偿电阻网络输出电压降低至12.5％、25％或50％，以保证电流舵型数模转换器在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度。
进一步的，调压控制模块内设置两组补偿电容和两组补偿开关，两组补偿电容一组用于抬高输出电压，另一组用于降低输出电压；两组补偿电容各自对应一组控制开关；
根据电压比较模块的输出结果控制两组控制开关之一打开或关闭，并控制每一组开关打开的开关的个数；通过这种方式输出一个用于补偿的补偿电压；
补偿电压进入电压补偿模块后于R-2R电阻网络模块的输出电压进行加和，从而实现对R-2R电阻网络模块输出电压的补偿。
进一步的，所述R-2R算法模块采用DSP芯片实现，具体为采用TMS320C28系列实时微控制器，TMS320C28具有独立时钟控制器；
同时将电压比较模块集成入TMS320C28系列实时微控制器中。
进一步的，I2S音频接口内设置有FIFO缓冲器，确保接收到的数据与R-2R的采样速率同步；
电压补偿模块前还设置一个FIFO缓冲器，保证电压比较模块获取比较结果后，将结果输入调压控制模块，调压控制模块输出的调节电压值与电压补偿模块中的实际电压同步；从而保证电压补偿的准确性。
进一步的，具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器的工作方法。
DAC放大器的工作模式包括校准模式和播放模式，当处于校准模式时DAC放大器进行自校准，当处于播放模式时DAC放大器进行音频播放；播放模式又包括音频文件播放模式和视频文件播放模式；校准模式和播放模式是通过人机交互界面选择的，不同时执行；
校准模式包括如下步骤：
步骤A1、选择校准模式，DAC放大器根据人机交互界面确认当前处于的工作模式为校准模式；
步骤A2、I2S音频接口接受外部输入的扫频数字信号，扫频数字信号包括多组不同音量不同频率的数字音频信号；扫频数字信号的音量范围覆盖DAC放大器的最大音量和最小音量，扫频数字信号的频率范围覆盖DAC放大器的能够处理的最小频率和最大频率；扫频数字信号中的每一组信号持续一段时间；
步骤A3、R-2R电阻网络模块将扫频数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置的R-2R算法根据输入的扫频数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；
步骤A4、精密电压检测模块对R-2R电阻网络模块的输出信号进行精密检测，并将其与R-2R算法模块计算的理论电压值同时输入电压比较模块进行电压比较；
电压比较模块计算R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
同时电压比较模块记录当前从R-2R算法模块输入的数据和电压比较模块输出数据的一一对应关系；
步骤A5、对所有扫频数字信号执行步骤A3和步骤A4，得到全部的R-2R算法模块输入的数据和电压比较模块输出数据的一一对应关系，从而完成校准；
播放模式包括如下步骤：
选择播放模式，DAC放大器根据人机交互界面确认当前处于的工作模式为播放模式，并进一步确认是音频播放模式还是视频播放模式；
当处于视频播放模式时：
I2S音频接口接受外部输入的数字音频信号，R-2R电阻网络模块将扫频数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置的R-2R算法根据输入的扫频数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；R-2R算法模块计算的理论电压值输入电压比较模块；
电压比较模块根据R-2R算法模块输入的数据和电压比较模块输出数据的一一对应关系直接得到R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
调压控制模块连接电压补偿模块，调压控制模块和电压补偿模块对输出电压进行补偿，使得经过补偿后的实际输出电压更接近R-2R算法模块计算的理论电压值，从而减少电压检测和电压比较时产生的延迟；
对R-2R电阻网络模块输出的电压进行补偿后经过输出接口进行输出；
当处于音频播放模式时：
I2S音频接口接受外部输入的数字音频信号，R-2R电阻网络模块将扫频数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置的R-2R算法根据输入的扫频数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；
精密电压检测模块对R-2R电阻网络模块的输出信号进行精密检测，并将其与R-2R算法模块计算的理论电压值同时输入电压比较模块进行电压比较；
电压比较模块计算R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
调压控制模块连接电压补偿模块，调压控制模块和电压补偿模块对输出电压进行补偿，使得经过补偿后的实际输出电压更接近R-2R算法模块计算的理论电压值，从而减少电压检测和电压比较时产生的延迟；
对R-2R电阻网络模块输出的电压进行补偿后经过输出接口进行输出。
本发明的有益效果为：
整体来看，本发明具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器不仅实现了从数字到模拟信号的高质量转换，而且通过精密的闭环反馈机制以及硬件层面的优化设计，显著降低了由于电阻不精确或其他因素导致的失真，提升了音频重放的质量和用户体验。
本发明的装置具有高精度模拟输出，通过实时比较和补偿，使实际输出电压更接近理论计算值，显著提高音频信号转换的精度和线性度。采用精密电压检测、电压比较和调压控制等模块构成闭环控制系统，确保了系统的稳定性和准确性。精密时序控制模块确保了数字音频数据在各个模块间处理的一致性和同步性，避免了因时序不匹配导致的音质下降。采用不同方式(微型补偿电阻网络、电流舵数模转换器或电容开关组合)进行电压补偿，可根据实际情况提供精准且高效的补偿方案。使用TMS320C28系列DSP芯片实现算法模块，并集成关键组件，保证了高速运算能力和实时性能。I2S音频接口内设置FIFO缓冲器，保障了数字音频数据与R-2R采样速率间的同步性，有效防止数据丢失和抖动问题。
同时本发明用R-2R型DAC放大器具有独特的校准模式，通过接收并处理覆盖全频率和音量范围的扫频数字信号，能够对整个系统进行精确的自校准，确保在不同频率和音量下的输出精度。在校准过程中记录了R-2R算法模块输入数据与电压比较模块输出数据的一一对应关系，在播放模式下直接利用这一预存关系进行电压补偿，避免了实时计算带来的延迟，提升了播放效率。
支持音频文件播放模式和视频文件播放模式，且能在人机交互界面方便地切换工作模式，增强了设备的灵活性和应用场景的广泛性。同时针对视频播放可以直接利用一一对应关系减少延迟时间，而在音频播放时通过实时计算电压差进行高精度的补偿。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
附图1为本发明整体架构示意图；
附图2为本发明给出的一个R-2R电阻网络结构示意图。
附图3为本发明给出的一个电流舵型的DAC结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
参见图1至图2，本发明提供一种具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，包括R-2R算法模块、R-2R电阻网络模块和电压补偿模块。
一般的R-2R电阻网络结构如图2所示，R-2R电阻网络模块用于将数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置R-2R算法，R-2R算法根据输入的数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；
通过将针对同一输入的R-2R电阻网络模块的实际输出电压和R-2R算法模块计算的理论电压比较，并基于比较结果使用电压补偿模块对R-2R电阻网络模块实际输出的电压进行补偿，将补偿后的电压进行输出实现具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器工作。
进一步的，DAC放大器还包括I2S音频接口、精密时序控制模块、精密电压检测模块、电压比较模块、调压控制模块和输出接口；
进一步的，精密时序控制模块连接I2S音频接口、R-2R算法模块、R-2R电阻网络模块、精密电压检测模块、电压比较模块、电压补偿模块和调压控制模块，用于对整个数字信号进行时序控制，保证音频信号在各个模块中处理的时序一致；
精密电压检测模块对R-2R电阻网络模块的输出信号进行精密检测，并将其与R-2R算法模块计算的理论电压值同时输入电压比较模块进行电压比较；
电压比较模块计算R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
调压控制模块连接电压补偿模块，调压控制模块和电压补偿模块对输出电压进行补偿，使得经过补偿后的实际输出电压更接近R-2R算法模块计算的理论电压值；
对R-2R电阻网络模块输出的电压进行补偿后经过输出接口进行输出。
进一步的，所述R-2R电阻网络模块为16、24或者32位的R-2R电阻网络模块。
进一步的，时序控制包括两步骤时序控制，具体过程为：
在R-2R算法模块理论计算完成后，开始通过精密电压检测模块采样R2R电阻网络的实际输出电压；确保采样的时刻与R2R电阻网络输出电压的时间同步，以得到准确的实际值；
在电压补偿模块前设置一延迟，保证电压比较模块获取比较结果后，将结果输入调压控制模块，调压控制模块输出的调节电压值与电压补偿模块中的实际电压同步；从而保证电压补偿的准确性。
进一步的，电压比较模块输出一个调控电压的数字信号，调控电压的数字信号为2进制数字信号，调控电压的数字信号输入调压控制模块后输出一个用于补偿的补偿电压；
补偿电压进入电压补偿模块后于R-2R电阻网络模块的输出电压进行加和，从而实现对R-2R电阻网络模块输出电压的补偿。
进一步的，所述调压控制模块内设置一个微型补偿电阻网络，微型补偿电阻网络也是R-2R架构；
微型补偿电阻网络的参考电压为R-2R电阻网络模块的12.5％、25％或50％，以保证微型补偿电阻网络在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度；
进一步的，所述R-2R算法模块采用DSP芯片实现，具体为采用TMS320C28系列实时微控制器，TMS320C28具有独立时钟控制器；
同时将电压比较模块集成入TMS320C28系列实时微控制器中。
进一步的，I2S音频接口内设置有FIFO缓冲器，确保接收到的数据与R-2R的采样速率同步；
电压补偿模块前还设置一个FIFO缓冲器，保证电压比较模块获取比较结果后，将结果输入调压控制模块，调压控制模块输出的调节电压值与电压补偿模块中的实际电压同步；从而保证电压补偿的准确性。
其中，具体的R-2R的采用DSP的算法可以如下：
上述的程序实例仅仅是一个用于DSP的算法实例，对于不同的DSP芯片该算法可能不同。
实施例2：
本实施例其他器件与实施例1相同，区别在于微型补偿电阻网络的参考电压与R-2R电阻网络模块相同，且微型补偿电阻网络电压输出后通过一分压电路将微型补偿电阻网络输出电压降低至12.5％、25％或50％，以保证微型补偿电阻网络在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度。
实施例3：
参见图3，本实施例其他器件与实施例1相同，区别在于所述调压控制模块内设置一个电流舵型数模转换器；
电流舵型数模转换器的参考电压为R-2R电阻网络模块的12.5％、25％或50％，以保证电流舵型数模转换器在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度；
实施例4：
本实施例其他器件与实施例3相同，区别在于电流舵型数模转换器的参考电压与R-2R电阻网络模块相同，且电流舵型数模转换器电压输出后通过一分压电路将微型补偿电阻网络输出电压降低至12.5％、25％或50％，以保证电流舵型数模转换器在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度。
实施例5：
本实施例其他器件与实施例1相同，区别在于调压控制模块内设置两组补偿电容和两组补偿开关，两组补偿电容一组用于抬高输出电压，另一组用于降低输出电压；两组补偿电容各自对应一组控制开关；
根据电压比较模块的输出结果控制两组控制开关之一打开或关闭，并控制每一组开关打开的开关的个数；通过这种方式输出一个用于补偿的补偿电压；
补偿电压进入电压补偿模块后于R-2R电阻网络模块的输出电压进行加和，从而实现对R-2R电阻网络模块输出电压的补偿。
实施例6：
本实施例保护具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器的工作方法。
DAC放大器的工作模式包括校准模式和播放模式，当处于校准模式时DAC放大器进行自校准，当处于播放模式时DAC放大器进行音频播放；播放模式又包括音频文件播放模式和视频文件播放模式；校准模式和播放模式是通过人机交互界面选择的，不同时执行；
校准模式包括如下步骤：
步骤A1、选择校准模式，DAC放大器根据人机交互界面确认当前处于的工作模式为校准模式；
步骤A2、I2S音频接口接受外部输入的扫频数字信号，扫频数字信号包括多组不同音量不同频率的数字音频信号；扫频数字信号的音量范围覆盖DAC放大器的最大音量和最小音量，扫频数字信号的频率范围覆盖DAC放大器的能够处理的最小频率和最大频率；扫频数字信号中的每一组信号持续一段时间；
步骤A3、R-2R电阻网络模块将扫频数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置的R-2R算法根据输入的扫频数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；
步骤A4、精密电压检测模块对R-2R电阻网络模块的输出信号进行精密检测，并将其与R-2R算法模块计算的理论电压值同时输入电压比较模块进行电压比较；
电压比较模块计算R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
同时电压比较模块记录当前从R-2R算法模块输入的数据和电压比较模块输出数据的一一对应关系；
步骤A5、对所有扫频数字信号执行步骤A3和步骤A4，得到全部的R-2R算法模块输入的数据和电压比较模块输出数据的一一对应关系，从而完成校准；
播放模式包括如下步骤：
选择播放模式，DAC放大器根据人机交互界面确认当前处于的工作模式为播放模式，并进一步确认是音频播放模式还是视频播放模式；
当处于视频播放模式时：
I2S音频接口接受外部输入的数字音频信号，R-2R电阻网络模块将扫频数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置的R-2R算法根据输入的扫频数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；R-2R算法模块计算的理论电压值输入电压比较模块；
电压比较模块根据R-2R算法模块输入的数据和电压比较模块输出数据的一一对应关系直接得到R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
调压控制模块连接电压补偿模块，调压控制模块和电压补偿模块对输出电压进行补偿，使得经过补偿后的实际输出电压更接近R-2R算法模块计算的理论电压值，从而减少电压检测和电压比较时产生的延迟；
对R-2R电阻网络模块输出的电压进行补偿后经过输出接口进行输出；
当处于音频播放模式时：
I2S音频接口接受外部输入的数字音频信号，R-2R电阻网络模块将扫频数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置的R-2R算法根据输入的扫频数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；
精密电压检测模块对R-2R电阻网络模块的输出信号进行精密检测，并将其与R-2R算法模块计算的理论电压值同时输入电压比较模块进行电压比较；
电压比较模块计算R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
调压控制模块连接电压补偿模块，调压控制模块和电压补偿模块对输出电压进行补偿，使得经过补偿后的实际输出电压更接近R-2R算法模块计算的理论电压值，从而减少电压检测和电压比较时产生的延迟；
对R-2R电阻网络模块输出的电压进行补偿后经过输出接口进行输出。
至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。
提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。
在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或者可选择的步骤。
Claims (10)
1.一种具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，包括R-2R算法模块、R-2R电阻网络模块和电压补偿模块，其特征在于：
R-2R电阻网络模块用于将数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置R-2R算法，R-2R算法根据输入的数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；
通过将针对同一输入的R-2R电阻网络模块的实际输出电压和R-2R算法模块计算的理论电压比较，并基于比较结果使用电压补偿模块对R-2R电阻网络模块实际输出的电压进行补偿，将补偿后的电压进行输出实现具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器工作。
2.根据权利要求1所述的具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，其特征在于：DAC放大器还包括I2S音频接口、精密时序控制模块、精密电压检测模块、电压比较模块、调压控制模块和输出接口；
精密时序控制模块连接I2S音频接口、R-2R算法模块、R-2R电阻网络模块、精密电压检测模块、电压比较模块、电压补偿模块和调压控制模块，用于对整个数字信号进行时序控制，保证音频信号在各个模块中处理的时序一致；
精密电压检测模块对R-2R电阻网络模块的输出信号进行精密检测，并将其与R-2R算法模块计算的理论电压值同时输入电压比较模块进行电压比较；
电压比较模块计算R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
调压控制模块连接电压补偿模块，调压控制模块和电压补偿模块对输出电压进行补偿，使得经过补偿后的实际输出电压更接近R-2R算法模块计算的理论电压值；
对R-2R电阻网络模块输出的电压进行补偿后经过输出接口进行输出。
3.根据权利要求1所述的具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，其特征在于：所述R-2R电阻网络模块为16、24或者32位的R-2R电阻网络模块。
4.根据权利要求2或3所述的具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，其特征在于：
时序控制包括两步骤时序控制，具体过程为：
在R-2R算法模块理论计算完成后，开始通过精密电压检测模块采样R2R电阻网络的实际输出电压；确保采样的时刻与R2R电阻网络输出电压的时间同步，以得到准确的实际值；在电压补偿模块前设置一延迟，保证电压比较模块获取比较结果后，将结果输入调压控制模块，调压控制模块输出的调节电压值与电压补偿模块中的实际电压同步；从而保证电压补偿的准确性。
5.根据权利要求4所述的具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，其特征在于：电压比较模块输出一个调控电压的数字信号，调控电压的数字信号为2进制数字信号，调控电压的数字信号输入调压控制模块后输出一个用于补偿的补偿电压；
补偿电压进入电压补偿模块后于R-2R电阻网络模块的输出电压进行加和，从而实现对R-2R电阻网络模块输出电压的补偿。
6.根据权利要求5所述的具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，其特征在于：所述调压控制模块内设置一个微型补偿电阻网络，微型补偿电阻网络也是R-2R架构；
微型补偿电阻网络的参考电压为R-2R电阻网络模块的12.5％、25％或50％，以保证微型补偿电阻网络在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度；
或者，
微型补偿电阻网络的参考电压与R-2R电阻网络模块相同，且微型补偿电阻网络电压输出后通过一分压电路将微型补偿电阻网络输出电压降低至12.5％、25％或50％，以保证微型补偿电阻网络在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度。
7.根据权利要求5所述的具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，其特征在于：所述调压控制模块内设置一个电流舵型数模转换器；
电流舵型数模转换器的参考电压为R-2R电阻网络模块的12.5％、25％或50％，以保证电流舵型数模转换器在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度；
或者，
电流舵型数模转换器的参考电压与R-2R电阻网络模块相同，且电流舵型数模转换器电压输出后通过一分压电路将微型补偿电阻网络输出电压降低至12.5％、25％或50％，以保证电流舵型数模转换器在调节R-2R电阻网络模块输出时的精度。
8.根据权利要求4所述的具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，其特征在于：调压控制模块内设置两组补偿电容和两组补偿开关，两组补偿电容一组用于抬高输出电压，另一组用于降低输出电压；两组补偿电容各自对应一组控制开关；
根据电压比较模块的输出结果控制两组控制开关之一打开或关闭，并控制每一组开关打开的开关的个数；通过这种方式输出一个用于补偿的补偿电压；
补偿电压进入电压补偿模块后于R-2R电阻网络模块的输出电压进行加和，从而实现对R-2R电阻网络模块输出电压的补偿。
9.根据权利要求2所述的具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，其特征在于：所述R-2R算法模块采用DSP芯片实现，具体为采用TMS320C28系列实时微控制器，TMS320C28具有独立时钟控制器；
同时将电压比较模块集成入TMS320C28系列实时微控制器中；
I2S音频接口内设置有FIFO缓冲器，确保接收到的数据与R-2R的采样速率同步；
电压补偿模块前还设置一个FIFO缓冲器，保证电压比较模块获取比较结果后，将结果输入调压控制模块，调压控制模块输出的调节电压值与电压补偿模块中的实际电压同步；从而保证电压补偿的准确性。
10.一种具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器的工作方法，基于权利要求1-9任一项所述的具有电压补偿功能的耳机用R-2R型DAC放大器，其特征在于：
DAC放大器的工作模式包括校准模式和播放模式，当处于校准模式时DAC放大器进行自校准，当处于播放模式时DAC放大器进行音频播放；播放模式又包括音频文件播放模式和视频文件播放模式；校准模式和播放模式是通过人机交互界面选择的，不同时执行；
校准模式包括如下步骤：
步骤A1、选择校准模式，DAC放大器根据人机交互界面确认当前处于的工作模式为校准模式；
步骤A2、I2S音频接口接受外部输入的扫频数字信号，扫频数字信号包括多组不同音量不同频率的数字音频信号；扫频数字信号的音量范围覆盖DAC放大器的最大音量和最小音量，扫频数字信号的频率范围覆盖DAC放大器的能够处理的最小频率和最大频率；扫频数字信号中的每一组信号持续一段时间；
步骤A3、R-2R电阻网络模块将扫频数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置的R-2R算法根据输入的扫频数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；
步骤A4、精密电压检测模块对R-2R电阻网络模块的输出信号进行精密检测，并将其与R-2R算法模块计算的理论电压值同时输入电压比较模块进行电压比较；
电压比较模块计算R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
同时电压比较模块记录当前从R-2R算法模块输入的数据和电压比较模块输出数据的一一对应关系；
步骤A5、对所有扫频数字信号执行步骤A3和步骤A4，得到全部的R-2R算法模块输入的数据和电压比较模块输出数据的一一对应关系，从而完成校准；
播放模式包括如下步骤：
选择播放模式，DAC放大器根据人机交互界面确认当前处于的工作模式为播放模式，并进一步确认是音频播放模式还是视频播放模式；
当处于视频播放模式时：
I2S音频接口接受外部输入的数字音频信号，R-2R电阻网络模块将扫频数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置的R-2R算法根据输入的扫频数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；R-2R算法模块计算的理论电压值输入电压比较模块；
电压比较模块根据R-2R算法模块输入的数据和电压比较模块输出数据的一一对应关系直接得到R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
调压控制模块连接电压补偿模块，调压控制模块和电压补偿模块对输出电压进行补偿，使得经过补偿后的实际输出电压更接近R-2R算法模块计算的理论电压值，从而减少电压检测和电压比较时产生的延迟；
对R-2R电阻网络模块输出的电压进行补偿后经过输出接口进行输出；
当处于音频播放模式时：
I2S音频接口接受外部输入的数字音频信号，R-2R电阻网络模块将扫频数字信号转换成模拟信号，以实现数字信号-模拟信号的转换，输出的模拟电压经过精密电压检测模块后到达电压补偿模块；
R-2R算法模块内置的R-2R算法根据输入的扫频数字信号计算出当该数字信号输入一个无误差的R-2R电阻网络模块后输出的理论电压；
精密电压检测模块对R-2R电阻网络模块的输出信号进行精密检测，并将其与R-2R算法模块计算的理论电压值同时输入电压比较模块进行电压比较；
电压比较模块计算R-2R电阻网络模块的输出信号电压与R-2R算法模块计算的理论电压的差值，并将其发送至调压控制模块；
调压控制模块连接电压补偿模块，调压控制模块和电压补偿模块对输出电压进行补偿，使得经过补偿后的实际输出电压更接近R-2R算法模块计算的理论电压值，从而减少电压检测和电压比较时产生的延迟；
对R-2R电阻网络模块输出的电压进行补偿后经过输出接口进行输出。
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| CN202410350113.8A CN118174726A (zh) | 2024-03-26 | 2024-03-26 | 一种具有电压补偿功能的耳机用r-2r型dac放大器 |
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