CN1960175B - 控制功率放大器的输出功率的方法和设备及其音频播放器 - Google Patents

控制功率放大器的输出功率的方法和设备及其音频播放器 Download PDF

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Abstract

提供了一种控制能够自动确定连接到便携式音频装置的耳机或头戴式耳机的阻抗并根据所述阻抗输出最佳功率的数字放大器的输出功率的方法和设备。所述设备可与数字放大装置一起使用，包括：信号处理单元，通过将脉冲信号功率放大而将脉冲信号转换成直流电压；阻抗测量单元，在信号处理单元和扬声器单元之间连接电阻装置，并检测施加到所述电阻装置和扬声器单元的电压值；和MICOM单元，如果扬声器单元被连接到所述装置，则MICOM单元控制信号处理单元产生具有预定占空因子的脉冲信号，基于阻抗测量单元检测的电压值确定扬声器单元的阻抗，根据确定的阻抗通过将电压水平控制信号提供给信号处理单元来控制功率放大，并相应在音频再现模式下控制音频水平。

Description

控制功率放大器的输出功率的方法和设备及其音频播放器 
本申请要求于2005年11月3日在韩国知识产权局提交的第10-2005-0105066号韩国专利申请的利益，该申请完全公开于此以资参考。 
                     技术领域
本发明总的发明构思涉及一种便携式音频再现设备，更具体地讲，涉及这样一种控制数字放大器的输出功率的方法和设备，所述方法和设备能够自动确定连接到便携式音频装置的耳机或头戴式耳机的阻抗并使功率输出对于耳机或头戴式耳机而言为最佳。 
                      背景技术
近来，诸如MP3播放器和便携式多媒体播放器(PMP)的便携式音频装置的用户需求高音质。另外，便携式音频装置使用低功耗、小尺寸以及高音质的数字音频放大器。通常，A类、B类、AB类和D类被用于数字音频放大器。在这些数字放大器中，D类放大器可减小在A、B和AB类放大器中发生的放大效果恶化。D类放大器将音频信号转换成脉宽调制(PWM)信号并切换该信号。另外，在便携式音频装置中使用从扎成一束提供的16Ω阻抗的耳机到120Ω阻抗的高端头戴式耳机范围内的各种耳机和头戴式耳机。 
因此，为了支持所述各种耳机和/或头戴式耳机，便携式音频装置的输出容量应该足够大，并且输出信号的幅度应该关于在便携式音频装置中正在使用的耳机和/或头戴式耳机的类型被不同地设置。 
图1是示出传统数字放大设备的方框图。 
参照图1，通过PWM单元130、功率切换单元150和低通滤波器160将数字音频信号输出到耳机/头戴式耳机180。 
模数转换器(ADC)单元120将从麦克风122输入的声音转换成数字信号以将该声音记录在记录器中。微型计算机(MICOM)单元110产生不同的控制信号和ADC控制信号以控制各个块和单元。电源单元140向功率切换单元150提供预定的直流(DC)电压(固定的VDC)。 
然而，用户听到的声音的大小(音量)根据连接到放大器的输出端的耳机/头戴式耳机180的阻抗的大小而有较大的不同。通常，在用户最方便听到的音量的大小处耳机或头戴式耳机的输出功率从5mW变化到7mW。 
例如，参照16Ω阻抗的头戴式耳机，当以均方根(RMS)测量具有大约6mW的输出功率的放大器的输出端的信号时，输出信号的幅度是0.310Vrms。 
因此，由于大多数音频装置采用16Ω阻抗的耳机，所以，放大器的输出电平被设置为0.310Vrms以输出大约6mW的输出功率(音量水平约为20)。 
然而，由于即使连接120Ω阻抗的高端头戴式耳机时放大器的输出电平仍被设置为0.310Vrms，所以头戴式耳机的实际输出功率可能被限制在大约只有0.8mW。因此，即使用户设置了相同的音量水平，但是如果耳机/头戴式耳机180的阻抗增加，则从耳机/头戴式耳机180输出的声音可能变得太小而听不见。 
类似地，如果对120Ω阻抗的高端头戴式耳机设置音量水平以传送大约6mW的输出，然后将放大器的连接切换到16Ω阻抗的头戴式耳机，则用户听到大约44.7mW的非常大的声音，用户的耳朵可能受到伤害。图2A和2B是关于放大器输出的信号的幅度将头戴式耳机的阻抗、头戴式耳机的功耗和听得见的声音压力进行比较的表。 
因此，根据传统的数字放大设备，除非关于连接到所述设备的耳机或头戴式耳机的阻抗特性来适当地调整放大器的幅度，否则用户可能听不到正被放大的声音或者可能听到分贝水平太高的声音。 
                       发明内容
本发明总的发明构思提供了一种能够根据测量的连接到数字放大器的耳机或头戴式耳机的阻抗来控制音频装置中的数字放大器的输出功率从而确定数字放大器的合适的输出水平的方法和设备。 
本发明总的发明构思的其他方面在下面的描述中将被部分地阐述，部分地，从所述描述将变得明显，或可通过实施本发明总的发明构思来获知。 
 本发明总的发明构思的以上和/或其他方面可通过提供一种控制数字音频放大装置中的数字放大器的输出功率的设备来实现，所述设备包括：信号处理单元，将脉冲信号进行功率放大并将脉冲信号转换成直流电压；阻抗测量单元，在信号处理单元和扬声器单元之间连接电阻装置，并检测施加到所述电阻装置和扬声器单元的电压值；和MICOM单元，如果扬声器单元被连接到所述装置，则MICOM单元控制信号处理单元产生具有预定占空因子的脉冲信号，MICOM单元基于阻抗测量单元检测的电压值确定扬声器单元的阻抗，根据确定的阻抗通过将电压水平控制信号提供给信号处理单元来控制功率放大，并相应在音频再现模式下控制音频水平。 
本发明总的发明构思的以上和/或其他方面还可通过提供一种在便携式音频装置中可以使用的数字放大器来实现，所述放大器包括：信号处理单元，具有输出各种电压的可变电源单元，所述信号处理单元接收音频信号并基于所述可变电源单元当前输出的直流电压来放大所述音频信号；阻抗测量单元，测量连接到便携式音频装置的任何扬声器单元的阻抗值，并输出阻抗检测信号；和MICOM单元，接收阻抗检测信号，基于阻抗检测信号指示的测量的阻抗值控制可变电源单元更新当前输出的直流电压。 
本发明总的发明构思的以上和/或其他方面还可通过提供一种便携式音频装置来实现，所述音频装置包括：数字放大器，基于电源的电源水平来放大音频信号；和电源控制单元，基于连接到数字放大器的至少一个扬声器单元来改变电源的电源水平。 
本发明总的发明构思的以上和/或其他方面还可通过提供一种便携式音频装置来实现，所述便携式音频装置包括：输出端口；音频单元，输出音频信号；和放大器，从音频单元接收音频信号，并基于在输出端口检测的阻抗值放大音频信号。 
本发明总的发明构思的以上和/或其他方面还可通过提供一种便携式音频装置来实现，所述便携式音频装置包括：数字放大器，基于电源的电源水平来放大音频信号；和设备，通过基于连接到数字放大器的至少一个扬声器单元的阻抗改变电源的电源水平来控制数字放大器的输出功率。所述设备包括：信号处理单元，将脉冲信号进行功率放大，并将脉冲信号转换成直流电压，阻抗测量单元，在信号处理单元和所述至少一个扬声器单元之间连接电阻装置，并检测施加到电阻装置和所述至少一个扬声器单元的电压值，和MICOM单元，如果所述至少一个扬声器单元被连接到所述便携式音频装置，则MICOM单元控制信号处理单元产生具有预定占空因子的脉冲信号，基于阻抗测量单元检测的电压值来确定所述至少一个扬声器单元的阻抗，根据确定的阻抗通过将电压水平控制信号提供给信号处理单元来控制功率放大，并相应在音频再现模式下控制音频水平。 
本发明总的发明构思的以上和/或其他方面还可通过提供一种便携式音频装置来实现，所述便携式音频装置包括：信号处理单元，具有在头戴式耳机阻抗测量模式下产生电压信号的另一终端；终端，被连接到外部头戴式耳机；阻抗测量单元，根据与所述外部头戴式耳机的特性相应的电压信号选择性地被连接在所述终端和所述另一终端之间以产生第一值和第二值之一；和处理器单元，根据所述第一值和第二值之一来控制信号处理单元产生第一音频再现信号和第二音频再现信号之一。 
本发明总的发明构思的以上和/或其他方面还可通过提供一种控制数字音频放大装置的输出功率的方法来实现，所述方法包括：如果扬声器单元被连接到数字音频放大装置，则设置阻抗测量模式并产生任意的脉冲信号；将所述任意的脉冲信号转换成直流电压；将所述直流电压施加到连接至扬声器单元的电阻装置，并检测所述电阻装置和扬声器单元之间的电压；基于检测的电压来确定扬声器单元的阻抗；和关于确定的扬声器单元的阻抗通过控制切换功率放大来调整正在再现的音频的水平。 
                       附图说明
从下面结合附图对本发明总的发明构思的实施例的描述，本发明总的发明构思的这些和/或其他方面将变得清楚，并更容易理解，其中： 
图1是示出传统数字放大设备的方框图； 
图2A和2B是关于信号的幅度将头戴式耳机的阻抗、头戴式耳机的功耗和可听到的声音压力进行比较的表； 
图3是示出根据本发明总的发明构思的实施例的控制数字放大器的输出功率的设备的方框图； 
图4示出根据本发明总的发明构思的实施例的在头戴式耳机阻抗测量模式下的测量电路； 
图5示出图4的头戴式耳机阻抗测量电路的仿真结果； 
图6是示出根据本发明总的发明构思的实施例的图3的输出功率控制设备的MICOM单元的控制方法的流程图；和 
图7示出根据本发明总的发明构思的便携式音频播放器。 
                   具体实施方式
现在将详细描述本发明总的发明构思的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。通过参照附图来描述所述实施例以解释本发明总的发明构思。 
图3是示出根据本发明总的发明构思的控制数字放大器的输出功率的设备的方框图。 
图3的输出功率控制设备包括微型计算机(MICOM)单元310、信号处理单元320、阻抗测量单元340和头戴式耳机350。这里，头戴式耳机350可被包括不同类型的头戴式耳机、耳机和扬声器的各种扬声器单元所代替。图3的输出功率控制设备可被包括在音频装置或便携式音频播放器中。 
信号处理单元320包括脉宽调制(PWM)单元322、电源单元323、功率切换单元324和低通滤波器单元326。阻抗测量单元340包括电压测量单元342和模数转换器(ADC)单元344，所述电压测量单元342包括第一开关(SW1)、第二开关(SW2)和测试电阻器(RT)。 
信号处理单元320可以是数字放大器，当在头戴式耳机阻抗测量模式下运行时，信号处理单元320将任意具有预定占空因子的脉冲信号功率放大成DC电压。当在音频再现模式下运行时，信号处理单元320通过将音频信号与载波信号进行比较从自数字音频信号产生的PWM信号提取音频信号。 
在头戴式耳机阻抗测量模式下，阻抗测量单元340在信号处理单元320和头戴式耳机350之间连接测试电阻器(RT)，并检测在测试电阻器(RT)和头戴式耳机350之间施加的电压。 
MICOM单元310根据头戴式耳机350是否被连接到输出功率控制设备和数字放大器(即，数字放大装置)在头戴式耳机阻抗测量模式和音频再现模式之间切换。具体地讲，在头戴式耳机阻抗测量模式下，MICOM单元310控制信号处理单元320产生具有预定占空因子的任意的脉冲信号，基于通过控制阻抗测量单元340的阻抗测量开关在测试电阻器(RT)上检测的电压值来确定头戴式耳机350的阻抗，并根据确定的头戴式耳机350的阻抗产生电压水平控制信号以控制信号处理单元320的切换功率水平。可通过使用公知技术(例如，通过使用头戴式耳机350的输出端的电压水平的变化)来执行MICOM单元310使用的检测头戴式耳机350和阻抗测量单元340之间的连接的方法。还可使用包括机械连接的其他方法来检测头戴式耳机350和阻抗测量单元 340之间的连接。 
参照图3，现在将更详细地描述根据本发明总的发明构思的实施例的控制数字放大器的输出功率的设备的操作。 
MICOM单元310根据输出功率控制设备是处于头戴式耳机阻抗测量模式还是音频再现模式分别将ADC控制信号和开关控制信号输出到ADC单元344和第一开关(SW1)和第二开关(SW2)。首先，如果检测到头戴式耳机350的连接，则MICOM单元310通过使用ADC控制信号和开关控制信号来将ADC单元344和第一开关(SW1)和第二开关(SW2)设置为阻抗测量模式。即，在阻抗测量模式下，根据开关控制信号，第一开关(SW1)和第二开关(SW2)将低通滤波器单元326的输出端(a)和头戴式耳机350的输入端(a)连接到测试电阻器(RT)的两端(b)。在音频再现模式下，ADC单元344输入麦克风302的麦克风信号。如果操作模式从音频再现模式改变为头戴式耳机阻抗测量模式，则ADC单元344将在测试点检测的电压值转换为数字信号。检测点可被置于测试电阻器(RT)和第二开关(SW2)之间。 
同时，MICOM单元310将测试脉冲产生控制信号输出到PWM单元322。如果PWM单元322从MICOM单元310接收到测试脉冲产生控制信号和模式控制信号，则PWM单元322在预定时间期间将具有预定占空因子的脉冲信号输出到功率切换单元324。然后，功率切换单元324关于电源单元323提供的电压对从PWM单元322输出的具有预定占空因子(占空比)的脉冲信号执行功率切换。低通滤波器单元326包括线圈(L)和电容器(C)，并将具有预定占空比的脉冲信号转换成DC电压。然后，将从低通滤波器单元326输出的DC电压施加到连接至头戴式耳机350的测试电阻器(RT)。相应地，ADC单元344将在测试电阻器(RT)和头戴式耳机350之间(即，在测试点)检测的电压值转换成数字形式的电压值。所述数字电压值是头戴式耳机阻抗检测信号，ADC单元344将该头戴式耳机阻抗检测信号输出到MICOM单元310。MICOM单元310从头戴式耳机阻抗检测信号提取电压值，并根据预置表从所述电压值确定头戴式耳机350的阻抗。所述预置表可被存储在存储器(未示出)中，并可包括与多个电压值相应的多个阻抗。例如，如果电压值在0.04～0.05V的范围内，则MICOM单元310确定头戴式耳机350的阻抗是32Ω。如果电压值在0.02～0.03V的范围内，则MICOM单元310确定头戴式耳机350的阻抗是16Ω。 
然后，MICOM单元310基于阻抗测量单元340所确定的头戴式耳机350的阻抗产生电压水平控制信号以控制电源单元323的DC电压的幅度。相应地，电源单元323根据MICOM单元310产生的电压水平控制信号输出可变的DC电压。例如，如果确定的阻抗小，则MICOM单元310输出用于控制电源单元323输出具有小幅度的DC电压的电压水平控制信号。类似地，如果检测的阻抗大，则MICOM单元310输出用于控制电源单元323输出具有大幅度的DC电压的电压水平控制信号。然后，一旦调整了DC电压的幅度，则MICOM单元310将控制信号输出到输出功率控制设备的每个部件(例如，PWM单元322、电源单元323、第一开关(SW1)和第二开关(SW2)以及ADC单元344)以从头戴式耳机阻抗测量模式切换到音频再现模式。即，在音频再现模式下，根据MICOM单元310的开关控制信号，第一开关(SW1)和第二开关(SW2)连接低通滤波器单元326的输出端(a)和头戴式耳机350的输入端(a)。PWM单元322将音频信号和载波信号进行比较，产生PWM信号。功率切换单元324关于电源单元323提供的DC电压将从PWM单元322输出的PWM信号的电流和电压放大。低通滤波器单元326通过去除从功率切换单元324输出的PWM信号的高频分量来提取将被再现的音频信号。因此，通过控制功率切换单元324的切换功率水平，输入到头戴式耳机350的音频信号的电平被调整。 
在另一实施例中，当难以调整电源单元323的DC电压的幅度时，MICOM单元310将用于控制音量的水平适合于检测的头戴式耳机350的阻抗的数字信号处理器(DSP)控制信号输出到DSP单元370。因此，DSP单元370根据DSP控制信号调整音量水平。 
图4示出根据本发明总的发明构思的实施例的头戴式耳机阻抗测量模式下的测量电路。 
参照图4，源单元(‘源’)对数字放大器的输出信号进行建模，并产生具有预定占空因子的脉冲波。L/C滤波器单元420通过电感L和电容C去除脉冲波的高频分量，仅通过音频带中的信号，并将具有预定占空因子的输入信号转换成近似于DC信号的信号。将DC信号提供给测试电阻器(RT)和头戴式耳机阻抗430。因此，在电压检测点440，根据电阻值(即，头戴式耳机阻抗和测试电阻器RT)的比来检测合适的电压。通过这个检测的电压值来测量头戴式耳机的阻抗430。这里，由于在通过L/C滤波器单元420的电压中几乎只保留DC分量，所以可通过使用仅具有电阻分量的电路图来对头戴式耳机阻抗430分量进行模拟。 
图5示出图4的头戴式耳机阻抗测量电路的仿真结果。 
参照图5，电压检测点440的电压值关于头戴式耳机的阻抗430而变化。因此，MICOM单元310可通过预置表等从关于头戴式耳机的阻抗430检测的不同电压值来识别头戴式耳机的阻抗430。例如，如果电压值在0.04～0.05V的范围内，则可确定头戴式耳机350的阻抗是32Ω。如果电压值在0.02～0.03V的范围内，则可确定头戴式耳机350的阻抗是16Ω。 
图6是示出根据本发明总的发明构思的实施例的图3的输出功率控制设备的MICOM单元310的控制方法的流程图。 
首先，如果电源被接通，则在操作610输出功率控制设备被初始化为音频再现模式。 
然后，在操作620，确定(即检测)头戴式耳机(例如图3中的头戴式耳机350)或耳机是否被连接到所述输出功率控制设备。可通过使用已知技术，例如，通过使用头戴式耳机350的输出端的电压水平的变化来执行检测头戴式耳机350的连接(即，头戴式耳机或耳机是否被连接到所述输出功率控制设备)的方法。 
如果检测到头戴式耳机350到所述输出功率控制设备的连接，则在操作630，将音频再现模式切换到头戴式耳机阻抗测量模式。 
然后，在操作640，在头戴式耳机阻抗测量模式下产生具有预定占空因子的测试脉冲信号。 
然后，在操作650，基于施加了DC电流的头戴式耳机350和测试电阻器(例如，RT)之间测量的电压值通过使用预置表来确定头戴式耳机的阻抗。 
然后，在操作660，关于头戴式耳机350的阻抗的幅度来调整提供给切换功率端的DC电压的幅度。在操作670，将头戴式耳机阻抗测量模式切换到音频再现模式。 
图7示出根据本发明总的发明构思的实施例的便携式音频播放器(装置)700。便携式音频播放器700包括数字音频单元705、数字放大器703、输出端口701和至少一个扬声器单元702。数字放大器703包括输出功率控制设备704。输出功率控制设备704可与图3的输出功率控制设备(如上所述)类似。数字音频单元705将数字音频提供给数字放大器703，以便数字放大器703放大数字音频并输出用于驱动所述至少一个扬声器单元702的信号。经输出端口701将至少一个扬声器单元702连接到便携式音频播放器700。输出功率控制设备704在阻抗测量模式(如上所述)和音频再现模式(还如上所述)之间操作以基于测量的所述至少一个扬声器单元702的阻抗来改变施加到所述至少一个扬声器单元702的DC电源。因此，可由使用具有多种不同阻抗的多种不同的扬声器单元的便携式音频播放器700产生最佳的声音水平。所述至少一个扬声器单元702可以是扬声器、头戴式耳机、耳机等。 
本发明总的发明构思可被实现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。所述计算机可读记录介质是可存储其后将被计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。所述计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁盘、软盘、光学数据存储装置和载波(例如通过互联网的数据传输)。所述计算机可读记录介质还可被分布于连接到网络连接的计算机系统以便所述计算机可读代码以分布的方式被存储和被执行。 
根据如上所述的本发明总的发明构思的实施例，连接到使用数字放大器的音频装置的耳机或头戴式耳机的阻抗被自动确定，并可关于所述阻抗来确定合适的输出电平。 
因此，本发明总的发明构思的实施例采用便携式音频装置和数字放大器的特性，以便有效并准确地测量耳机或头戴式耳机的阻抗，并且不用添加单独单元或增加原材料费用就可输出最佳声音水平。 
尽管显示和描述了本发明总的发明构思的一些实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明总的发明构思的范围和精神的情况下，可对这些实施例进行改变，所述本发明总的发明构思的范围由权利要求及其等同物限定。 

Claims (9)

1.一种控制数字音频放大装置中的数字放大器的输出功率的设备，所述设备包括：
信号处理单元，在测量模式下将脉冲信号进行功率放大并将脉冲信号转换成直流电压，在音频再现模式下从脉宽调制PWM信号中提取音频信号；
阻抗测量单元，在信号处理单元和扬声器单元之间连接电阻装置，并检测施加到所述电阻装置和扬声器单元的电压值；和
微型计算机单元，如果扬声器单元被连接到所述设备，则微型计算机单元控制信号处理单元产生具有预定占空因子的脉冲信号，在测量模式下基于阻抗测量单元检测的电压值确定扬声器单元的阻抗，根据确定的阻抗通过提供电压水平控制信号控制PWM信号的功率放大，以控制信号处理单元的切换功率水平，并相应在音频再现模式下控制音频水平。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述信号处理单元包括：
脉宽调制单元，在音频再现模式下通过将音频信号和载波信号进行比较产生脉宽调制信号，并在阻抗测量模式下产生具有预定占空因子的脉冲信号；
电源单元，根据微型计算机单元的电压水平控制信号改变输出电压；
切换单元，通过关于电源单元提供的电压执行切换来将脉宽调制信号或具有预定占空因子的脉冲信号进行功率放大；和
低通滤波器单元，去除从切换单元输出的信号的高频分量。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述阻抗测量单元包括：
电压测量单元，当所述设备在音频再现模式下运行时，通过连接低通滤波器单元和扬声器单元来通过音频信号，当所述设备在阻抗测量模式下运行时，在低通滤波器单元和扬声器单元之间连接电阻装置，并检测所述电阻装置和扬声器单元之间的电压值；和
模数转换单元，将电压测量单元测量的电压值转换成数据。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述电压测量单元包括：开关单元，当所述设备在音频再现模式下运行时，将从低通滤波器单元输出的信号通到扬声器单元，当所述设备在阻抗测量模式下运行时，通过所述电阻装置将从低通滤波器单元输出的信号通到扬声器单元。
5.如权利要求1所述的设备，还包括：
数字信号处理器，接收与微型计算机单元确定的扬声器单元的阻抗相应的音量水平控制信号，并相应调整音频音量的水平。
6.如权利要求1所述的设备，其中，扬声器单元是头戴式耳机和耳机之一。
7.一种控制数字音频放大装置的输出功率的方法，所述方法包括：
如果扬声器单元被连接到数字音频放大装置，则设置阻抗测量模式并产生任意的脉冲信号；
在测量模式下将所述任意的脉冲信号转换成直流电压，在音频再现模式下从脉宽调制PWM信号中提取音频信号；
将所述直流电压应用于连接到扬声器单元的电阻装置，并检测所述电阻装置和扬声器单元之间的电压；
在测量模式下基于检测的电压来确定扬声器单元的阻抗；和
根据确定的扬声器单元的阻抗通过提供电压水平控制信号控制PWM信号的功率放大，以控制切换功率放大水平，从而调整正在再现的音频的水平。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述任意的脉冲信号是具有预定占空因子的脉冲信号。
9.如权利要求7所述的方法，其中，确定扬声器单元的阻抗的步骤包括：参考预置表来确定与所述电压相应的扬声器单元的阻抗。
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