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在當前功能整合的便攜式多媒體設備中，日益變小的系統(tǒng)集成了越來越多的功能。盡管ECM的輸出是單端的，為獲得最佳噪聲性能，設計人員通常通過從ECM附近的未用前置放大器輸入各產(chǎn)生一路線跡，并使兩路線跡保持平衡，再使用一個差分輸入放大器，消除了兩路線跡中的共模板級噪聲源。。音頻是市場上任何具有多媒體功能的系統(tǒng)中最基本的功能，但系統(tǒng)設計人員通常更關注便攜式多媒體設備 “吸引人眼球”的特性，如無線連接、視頻處理、圖像捕獲以及顯示等。關鍵詞：設備驅(qū)動程序 嵌入式系統(tǒng) 軟件設計 可移植性 1 嵌入式系統(tǒng)設計 由于嵌入式系統(tǒng)有著體積小、功能集中、可靠性高等優(yōu)點，已被廣泛地應用到日常生活的各個方面，如移動通信、工業(yè)控制、醫(yī)療器械，家用電器等。。因此，在眾多的“重要”組件之間，哪里有一點空間，就把音頻電路擠身到哪里，從而導致音頻質(zhì)量非常一般乃至低劣。北京瑞宇飛科技有限公司開發(fā)的無線音頻轉發(fā)模塊VMR6512很好地解決了成本與音質(zhì)和頻率穩(wěn)定度之間的矛盾，讓所有的人都能以很低的成本享受到廣播級別的音質(zhì)。。然而，只要稍加注意，就能將完美的音頻質(zhì)量與用戶所要求的其它眾多性能一起被無縫集成到系統(tǒng)中。最好的折衷辦法是把LED焊接到粘在金屬散熱器上的印刷電路板(PCB)上。。本文提供了一些與包含有音頻回放和/或錄音功能的任何便攜式系統(tǒng)設計相關的完美系統(tǒng)設計和 PCB 板布局的各種建議。在PADS Layout（POWERPCB）中添加測試點時，默認的是以標準過孔STANDARDVIA 作為測試點，但這是通孔方式的測試點，為了節(jié)省測試點所占用的PCB 空間，高密度布線中我們更需要表面形式的測試點。。

在便攜式音頻系統(tǒng)中存在許多引起劣質(zhì)音頻的原因，不過本文主要講述模擬音頻信號上的噪聲源對音質(zhì)的影響。圖4所示為一個采用了CMOS MEMS模擬麥克風的典型音頻系統(tǒng)。。不管是平坦噪聲（白噪聲）還是音調(diào)的非諧波噪聲都會引起最終用戶的煩感。相比傳統(tǒng)模擬 PFC 產(chǎn)品，CS1500 和 CS1600 為電源和照明鎮(zhèn)流系統(tǒng)設計人員帶來了更高的性能和簡化的設計。。通常我們聽到的“背景嘶嘶作響”就是白噪聲，當撫靜音頻 (quite audio) 通過時這種噪聲非常明顯，而音調(diào)噪聲會根據(jù)頻率的不同而表現(xiàn)為“嗡嗡聲”，“哼哼聲”或“嗚嗚聲”。圖4: 采用CMOS MEMS麥克風的典型音頻系統(tǒng)示意圖。。音頻信號中不必要的噪聲干擾可以通過完美的系統(tǒng)設計和 PCB 板布局加以避免。PCB做好后可以開始焊接了，原則是先焊電阻，再焊電容，三下五除二就焊接完畢了。。

大多數(shù)便攜式音頻系統(tǒng)都采用數(shù)模轉換器 (DAC) 或編解碼器芯片將數(shù)字音頻轉換成模擬信號。CS1500 和 CS1600 采用 8 引腳 SOIC 封裝，已開始供貨，每 1,00 萬片的批量單價為 0.3 美元。。因此音頻編解碼器或 DAC 周圍的布局非常重要。在PCB 設計中，我們經(jīng)常需要對某些信號線增加一些測試點，以便在產(chǎn)品調(diào)試中對其信號進行測試。。

編解碼器或 DAC 均為在同一芯片中同時包含有模擬和數(shù)字電路。此外，模塊還提供了UP和DOWN兩個引腳，以便在沒有外部CPU或控制串口的情況下進行頻率調(diào)整。。這樣，就有多個電源引腳用于提供模擬和數(shù)字電源，一般標記為 AVDD 和 DVDD；現(xiàn)在市面上有相當多的采用BA1404的車載音頻轉發(fā)器或者無線耳機成品出售。。而其他模擬電源引腳則標記為 HPVDD、DRVDD、SPKVDD 以及 PVDD。音頻系統(tǒng)中另一個最常見的噪聲源是電源(偏置電壓)波動。。這些電源引腳之所以要分開是因為數(shù)字電路的高速開關電流會產(chǎn)生非常大的噪聲，而模擬電路對電源噪聲又非常敏感。1． 要在PADS Router 中添加測試點必須先在PADS Layout（PowerPCB）中增加好相應的表貼過孔類型，如上面增加TP_TOP 和TP_BOTTOM 測試點的方法。。音頻系統(tǒng)設計和電路板布局非常重的一點是：必須為模擬電源引腳提供紋波和瞬變都非常小的“清潔”電源。3 MELP語音編碼的硬件構成硬件電路板由Altera公司的FPGA芯片EP2C8作為主控芯片，此外還包括：8 MB容量的SDRAM、2 MB容量的Flash、WM8731音頻芯片，自帶音頻D/A、A/D，為方便調(diào)試，另帶有串口。。在模擬電源引腳上的任何噪聲都會以不同的方式影響音頻輸入或輸出信號的質(zhì)量。當音頻信號產(chǎn)生可聽見的干擾(一般稱為擊穿噪聲)時，RF功率放大器的功率門限開啟。。

在便攜式音頻系統(tǒng)中，主電源通常采用電池供電。大多數(shù)便攜式音頻系統(tǒng)采用數(shù)模轉換器(DAC)或編解碼(codec)芯片將數(shù)字音頻轉換成通過耳機或揚聲器能聽到的模擬信號。。由于系統(tǒng)其它部件（包括無線收發(fā)器、存儲器和顯示器等）造成的瞬態(tài)變化，使得電池的噪聲非常大。在音頻系統(tǒng)中使用ECM還帶來了許多機械設計和制造方面的挑戰(zhàn)。。因此在給音頻編解碼器或 DAC 以及其它音頻信號路徑上的器件（如放大器等）提供模擬電源時，最好不要直接使用電池電壓，而是使用具有良好電源紋波抑制比 (PSRR) 和低輸出噪聲的低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)。1 系統(tǒng)設計原理 步進電機控制系統(tǒng)主要由單片機、鍵盤LED、驅(qū)動／放大和PC上位機等4個模塊組成，其中PC機模塊是軟件控制部分，該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能：1)通過鍵盤啟動／暫停步進電機、設置步進電機的轉速和改變步進電機的轉向；。這樣可確保模擬電路有“清潔”的工作電源。圖三 VMR6512 無線音頻轉發(fā)器框圖 VMR6512無線音頻轉發(fā)模塊具有以下特點： 廣播級的音質(zhì)  全集成封裝，無需任何外部元件即可工作  音頻采用DSP進行處理，為高音質(zhì)提供了保證  采用頻率合成技術，振蕩頻率高度穩(wěn)定  輸出功率可調(diào)，最高可達115dBuV  頻率范圍88.0MHz-108.0MHz，低端可根據(jù)要求擴展到76.0MHz  可輸入模擬音頻或數(shù)字音頻  具備外部UART接口，可用外部CPU或PC機方便地進行控制  提供頻率設置UP/DOWN輸入，方便獨立使用 該模塊可應用于： Hi-Fi無線耳機  車載MP3音頻轉發(fā)器  無線話筒  會議廣播系統(tǒng)  樓宇音樂播放  公園音樂播放  視聽娛樂設備附件  校園廣播電臺 VMR6512內(nèi)部由一個CPU對整個模塊進行控制。。需要仔細選擇 LDO，以確保其額定電流能足以滿足所供電電路的需求。因此圍繞音頻編解碼器或DAC的版圖設計非常重要。。在模擬電源端去耦電容器的正確使用也很重要。這種門限在音頻下出現(xiàn)。。大的去耦電容器（10μF 或以上）非常適合電源電壓濾波。在此建議大家：在PCB腐蝕完畢并且吹干后，最好先打孔，然后用沙紙磨亮，再涂上松香兌酒精的溶液，這樣既可以助焊，又可以防氧化。。數(shù)值較小的去耦電容器（1μF或以下）在提供IC所需的快速瞬變電流時也是必需的。而且該電路只能傳送單聲道的音頻，使用者無法聆聽到高品質(zhì)的立體聲音樂。。去耦電容器應盡可能靠近模擬電源引腳放置，并在電容器和電源以及接地的連接中盡可能避免 PCB 過孔。音頻信號中不必要的噪聲污染可以通過良好的系統(tǒng)設計和PCB版圖設計加以避免。。相對于比較大的電容器來說，較小的去耦電容器要更靠近 IC 引腳擺放，因為串聯(lián)電阻對較小電容器的響應時間影響較為顯著。選取輸出電流間隔0．2 A，測到步進電機最大靜轉矩與電流之間關系的靜特性曲線，如圖7所示，說明該控制系統(tǒng)設計較合理。。

極佳的設計實踐

便攜式音頻系統(tǒng)中另一個干擾信號質(zhì)量的噪聲源是耦合進模擬輸入和輸出信號的噪聲。3．點擊工具欄中的DESIGN 圖標 ，然后選擇添加測試點圖標 ，然后在PCB 板上需要添加測試點的走線或者焊盤上，點擊添加測試點即可，如下圖所示。。噪聲耦合機制可以是感性或容性的，但極佳的系統(tǒng)設計和 PCB 布局可以最小化噪聲耦合。支持數(shù)字音頻的位數(shù)可以是16 bit~32 bit，采樣率從8 kHz~96 kHz；。實現(xiàn)極佳噪聲抗擾度的方法之一就是在模擬音頻信號路徑中盡可能使用差分信號。無線音頻轉發(fā)器被大量地應用于無線耳機、車載MP3轉發(fā)器、會議廣播、樓宇及公園廣播等地方。。用于差分信號的 PCB 線跡應成對平行布線并確保阻抗匹配，這樣任何噪聲都會等量地耦合進差分信號路徑的兩側（即“共模”信號）。在嵌入式系統(tǒng)設計中，通常采用以下設計方法。。差分電路具有的共模抑制特性，可很好地抑制任何耦合進來的噪聲，從而有效減弱可聽到的噪聲。如果在這兩個引腳上連續(xù)保持低電平，則發(fā)射頻率每0.3秒改變一次。。雖然在許多情況下不能使用差分信號，但這的確是一種非常有用的手段。去耦電容必須盡可能靠近模擬電源引腳放置，并在電容和電源與地的連接中盡可能避免出現(xiàn)PCB過孔。。

另外一個很好的系統(tǒng)設計實踐是：讓 PCB 板上的易受噪聲耦合影響的信號使用盡可能高的信號電平。音頻信號從三極管基極輸入，利用B-E結的變?nèi)荻�極管特性實現(xiàn)調(diào)頻。。可以假設耦合噪聲的幅度不會隨著發(fā)送信號電平的增加而增加。然而，只要稍加注意，良好的音頻質(zhì)量就能與用戶要求的眾多其它性能一起被無縫集成到系統(tǒng)中。。因此，如果噪聲電平是恒定的，當信號電平增加時信噪比 (SNR) 就會增加。值得提醒的是：我的PCB輸入、輸出是選用的這種插件，但在實際中，因為外殼的原因，我沒有將插件直接焊在PCB上，有材料且動手能力強的朋友可以自己動手專門做一個外殼。。SNR 越高代表音頻系統(tǒng)的性能就越高。當安置有ECM的系統(tǒng)靠近帶有功率控制的射頻發(fā)射器時，功率控制產(chǎn)生的RF信號的音頻成份可通過麥克風解調(diào)，轉換為可聞于音頻路徑的聲音信號。。低電平信號穿越 PCB 時，必須要施加一定的增益，這樣不但提高了噪聲和信號電平，而且最終降低了整個系統(tǒng)的 SNR。其結果是，在眾多的重要元器件之間，哪里有一點空間，就把音頻電路擠身到哪里，從而導致音頻質(zhì)量非常一般乃至低劣。。最好的方法是在靠近信號源處對低電平信號進行放大。麥克風設計的挑戰(zhàn)：減少噪聲 頻系統(tǒng)設計人員的主要挑戰(zhàn)是在系統(tǒng)設計中使總體噪聲最低。。



圖 1： 在方案 A 中，信號在靠近麥克風、線跡穿越 (travel across) PCB 板和耦合到噪聲之前得到放大，系統(tǒng)信噪比 (SNR) 為 60dB；音頻系統(tǒng)設計和版圖的要點是，必須為模擬電源引腳提供紋波和瞬變都很小的‘干凈’電源。。而在方案 B 中，信號在線跡穿越 PCB 和耦合到噪聲之后才得到放大，因此系統(tǒng)的 SNR 僅為 28dB。雖然PCB具有各種熱傳導率，但它們都對熱傳導起著阻隔作用。。

圖 1 給出了采用這種方法的一個例子。利用陶瓷CeramCool子基板(submount)，可輕松取代LED和金屬散熱器之間的PCB，極大地減小了系統(tǒng)總熱阻。。麥克風產(chǎn)生的 25mVp-p 信號A (t) 必須穿越 PCB，并被放大到 1Vp-p 以進行進一步處理。2．在菜單欄選擇Tools > DFT Audit…，打開對話框，在左邊的Use Test Point 下拉框中選擇需要的測試點類型，如TP_TOP，在右上角勾選PCB Top Side 選項。。紅色框表示穿越 PCB 的線跡，它會受耦合噪聲的影響，用信號 E(t) 表示。在便攜式音頻系統(tǒng)中，主電源通常是電池。。在方案 A 中，信號在靠近麥克風、線跡穿越 PCB 板和耦合到噪聲之前得到放大，系統(tǒng)的 SNR 為60dB；當ECM被置于振動環(huán)境時，比如安裝在電風扇或大型喇叭附近的電路板上，音頻系統(tǒng)的主要噪聲源將是振動。。而在方案B中，信號在線跡穿越 PCB 和耦合到噪聲之后才得到放大，系統(tǒng)的 SNR 僅為 28dB。模塊默認上電發(fā)射頻率是100.0MHz，UP或者DOWN引腳上每給一個低電平脈沖，則發(fā)射頻率升高或者降低0.1MHz。。因此極佳的系統(tǒng)設計可以實現(xiàn)顯著的性能提高。3． 點擊工具欄中的Route Editing 圖標 ，然后選擇添加測試點圖標 ，由于點擊此按鈕后，系統(tǒng)將選擇目標自動過濾為過孔和焊盤，因此為了可以在走線上增加測試點，我們必須先點擊鼠標右鍵選擇Select Anything，然后在PCB板上需要添加測試點的走線或者焊盤上，點擊添加測試點即可，如下圖所示。。

對由于系統(tǒng)成本或尺寸限制而不能靠近源端放大的信號來說，盡可能縮短 PCB 線跡長度非常重要。Nios II處理器的內(nèi)部總線通過定義引腳連到IO，這樣需要連接到Avavon總線的芯片可通過IO腳連到總線上。。短的 PCB 線跡不太容易受到容性和電感性耦合噪聲的影響。這時我們可以按以下方法來添加表面型測試點： 一．在PADS Layout（PowerPCB）中添加表面型測試點1．首先在菜單Setup > Pad Stacks 中添加新的過孔（通孔）類型，把鉆孔Drill設為0，欲加的測試點所在層（例如TOP 層）半徑設為合適的大小，其它層半徑設為0，這樣就得到一個表貼的過孔類型，取個名字（例如為TP_TOP和TP_BOTTOM 分別為頂層和底層的類型）保存，如下圖所示。。

在內(nèi)置麥克風的系統(tǒng)中需要仔細設計的最后一種信號是麥克風偏置電路。無線FM音頻轉發(fā)器可以將音頻信號調(diào)制成高頻信號，在一定距離內(nèi)用調(diào)頻收音機進行接收。。在便攜式音頻系統(tǒng)中使用的大多數(shù)駐極體麥克風 (ECM) 都需要 2～3V 的偏置電壓。前一種情況可以選擇單路TVS，而對于后一種情況，如果兩個回路是鄰近的，則可以選用多路TVS 陣列，這樣，只用一個器件就能完成兩個回路的保護圖7 所示是一種音頻/揚聲器數(shù)據(jù)線路的保護電路。。通常偏置電壓是由遠離麥克風的芯片提供的。因此在給音頻編解碼器或DAC以及其它音頻信號路徑上的器件(如放大器等)提供模擬電源時，最好不要直接使用電池電壓，而是使用具有良好電源抑制比(PSRR)和低輸出噪聲的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)。。在這種情況下，偏置電壓會在到達麥克風的途中拾取到噪聲。最簡單的無線音頻轉發(fā)器可以只用一個三極管構成，如下圖所示： 圖一 單管音頻FM轉發(fā)器上圖采用1只三極管9018構成振蕩器。。這種噪聲會直接耦合到麥克風的輸出中。相對于比較大的電容來說，較小的去耦電容要更靠近IC引腳擺放，因為串聯(lián)電阻對較小電容的響應時間影響較為顯著。。對此，極佳的設計實踐是在靠近麥克風處用電阻和電容對偏置電壓進行濾波。一旦信號進入音頻頻段，就很難消除。。圖
2 就是一款典型的麥克風電路設計，其采用了“偽差分”連接和 RC 濾波器來衰減偏置電壓帶來的噪聲。根據(jù)PCB的熱傳導率(從4W/mK到1.5W/mK)，溫度可上升6至28K。。



圖 2 用電阻和電容對靠近麥克風的偏置電壓進行濾波是一種很好的設計實踐
所有的音頻系統(tǒng)都需要某種類型的變送器才能使用戶聽到產(chǎn)生的音頻。而具有相同幾何布局的鋁制基板(帶有安裝在PCB上的LED)可承受的溫度要高得多。。大多數(shù)系統(tǒng)都有耳機輸出。2．2 鍵盤／LED模塊 為實現(xiàn)人機對話，該系統(tǒng)設計擴展了3x4按鈕矩陣鍵盤和4片8段LED數(shù)碼管，可手動直接操作該控制系統(tǒng)。。一些系統(tǒng)含有內(nèi)置揚聲器，或驅(qū)動外部揚聲器的輸出電路。這樣，就有多個電源引腳用于提供模擬和數(shù)字電源，一般標記為AVDD和DVDD。。因為耳機（大于 16 Ω）和揚聲器（大于 4 Ω）需要大功率信號，因此將與這些變送器相關的電路線跡的阻抗最小化至關重要。不過，過去50年間，ECM始終沒有什么根本性變化，而且，由于存在大量的機械和環(huán)境噪聲問題，它在新型便攜式設備中的功能性受到限制，成為音頻系統(tǒng)設計人員、機械設計人員以及制造商的關鍵“痛點”。。如果 PCB 線跡有不必要的高阻抗，功率就會損失在 PCB 線跡上，無法送達變送器。四、加工 在準備充分以后，該制作PCB了，關于手工制板的方法很多，比如專用的刻板機(有條件的學校才有，成本高，但制板的質(zhì)量也最高)，常用的方法有感光制板和熱轉印。。這會導致音頻質(zhì)量的下降、電池使用壽命縮短以及系統(tǒng)中不必要的發(fā)熱。圖2: 采用ECM和集成式FET的音頻系統(tǒng)的典型示意圖。。盡量使揚聲器和耳機的電路線跡更寬更短不但可以降低這種阻抗，而且還可以降低由此帶來的負面影響。PCB作為電路板的原始功能可被保留。。

表 1 在低成本、低功耗便攜式音頻系統(tǒng)中可以實現(xiàn)高質(zhì)量的音頻