在當前功能整合的便攜式多媒體設備中，日益變小的系統集成了越來(lái)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(guò)從ECM附近的未用前置放大器輸入各產(chǎn)生一路線(xiàn)跡，并使兩路線(xiàn)跡保持平衡，再使用一個(gè)差分輸入放大器，消除了兩路線(xiàn)跡中的共模板級噪聲源。。音頻是市場(chǎng)上任何具有多媒體功能的系統中最基本的功能，但系統設計人員通常更關(guān)注便攜式多媒體設備 “吸引人眼球”的特性，如無(wú)線(xiàn)連接、視頻處理、圖像捕獲以及顯示等。關(guān)鍵詞：設備驅動(dòng)程序 嵌入式系統 軟件設計 可移植性 1 嵌入式系統設計 由于嵌入式系統有著(zhù)體積小、功能集中、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應用到日常生活的各個(gè)方面，如移動(dòng)通信、工業(yè)控制、醫療器械，家用電器等。。因此，在眾多的“重要”組件之間，哪里有一點(diǎn)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(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)音頻轉發(fā)模塊VMR6512很好地解決了成本與音質(zhì)和頻率穩定度之間的矛盾，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(hù)所要求的其它眾多性能一起被無(wú)縫集成到系統中。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設計相關(guān)的完美系統設計和 PCB 板布局的各種建議。在PADS Layout（POWERPCB）中添加測試點(diǎn)時(shí)，默認的是以標準過(guò)孔STANDARDVIA 作為測試點(diǎn)，但這是通孔方式的測試點(diǎn)，為了節省測試點(diǎn)所占用的PCB 空間，高密度布線(xiàn)中我們更需要表面形式的測試點(diǎn)。。

在便攜式音頻系統中存在許多引起劣質(zhì)音頻的原因，不過(guò)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(gè)采用了CMOS MEMS模擬麥克風(fēng)的典型音頻系統。。不管是平坦噪聲（白噪聲）還是音調的非諧波噪聲都會(huì )引起最終用戶(hù)的煩感。相比傳統模擬 PFC 產(chǎn)品，CS1500 和 CS1600 為電源和照明鎮流系統設計人員帶來(lái)了更高的性能和簡(jiǎn)化的設計。。通常我們聽(tīng)到的“背景嘶嘶作響”就是白噪聲，當撫靜音頻 (quite audio) 通過(guò)時(shí)這種噪聲非常明顯，而音調噪聲會(huì )根據頻率的不同而表現為“嗡嗡聲”，“哼哼聲”或“嗚嗚聲”。圖4: 采用CMOS MEMS麥克風(fēng)的典型音頻系統示意圖。。音頻信號中不必要的噪聲干擾可以通過(guò)完美的系統設計和 PCB 板布局加以避免。PCB做好后可以開(kāi)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。。

大多數便攜式音頻系統都采用數模轉換器 (DAC) 或編解碼器芯片將數字音頻轉換成模擬信號。CS1500 和 CS1600 采用 8 引腳 SOIC 封裝，已開(kāi)始供貨，每 1,00 萬(wàn)片的批量單價(jià)為 0.3 美元。。因此音頻編解碼器或 DAC 周?chē)�的布局非常重要�?em>在PCB 設計中，我們經(jīng)常需要對某些信號線(xiàn)增加一些測試點(diǎn)，以便在產(chǎn)品調試中對其信號進(jìn)行測試。。

編解碼器或 DAC 均為在同一芯片中同時(shí)包含有模擬和數字電路。此外，模塊還提供了UP和DOWN兩個(gè)引腳，以便在沒(méi)有外部CPU或控制串口的情況下進(jìn)行頻率調整。。這樣，就有多個(gè)電源引腳用于提供模擬和數字電源，一般標記為 AVDD 和 DVDD；現在市面上有相當多的采用BA1404的車(chē)載音頻轉發(fā)器或者無(wú)線(xiàn)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。音頻系統中另一個(gè)最常見(jiàn)的噪聲源是電源(偏置電壓)波動(dòng)。。這些電源引腳之所以要分開(kāi)是因為數字電路的高速開(kāi)關(guān)電流會(huì )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(diǎn)必須先在PADS Layout（PowerPCB）中增加好相應的表貼過(guò)孔類(lèi)型，如上面增加TP_TOP 和TP_BOTTOM 測試點(diǎn)的方法。。音頻系統設計和電路板布局非常重的一點(diǎn)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(yǔ)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，為方便調試，另帶有串口。。在模擬電源引腳上的任何噪聲都會(huì )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(tīng)見(jiàn)的干擾(一般稱(chēng)為擊穿噪聲)時(shí)，RF功率放大器的功率門(mén)限開(kāi)啟。。

在便攜式音頻系統中，主電源通常采用電池供電。大多數便攜式音頻系統采用數模轉換器(DAC)或編解碼(codec)芯片將數字音頻轉換成通過(guò)耳機或揚聲器能聽(tīng)到的模擬信號。。由于系統其它部件（包括無(wú)線(xiàn)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。在音頻系統中使用ECM還帶來(lái)了許多機械設計和制造方面的挑戰。。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(shí)，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壓器 (LDO)。1 系統設計原理 步進(jìn)電機控制系統主要由單片機、鍵盤(pán)LED、驅動(dòng)／放大和PC上位機等4個(gè)模塊組成，其中PC機模塊是軟件控制部分，該控制系統可實(shí)現的功能：1)通過(guò)鍵盤(pán)啟動(dòng)／暫停步進(jìn)電機、設置步進(jìn)電機的轉速和改變步進(jìn)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(wú)線(xiàn)音頻轉發(fā)器框圖 VMR6512無(wú)線(xiàn)音頻轉發(fā)模塊具有以下特點(diǎn)： 廣播級的音質(zhì)  全集成封裝，無(wú)需任何外部元件即可工作  音頻采用DSP進(jìn)行處理，為高音質(zhì)提供了保證  采用頻率合成技術(shù)，振蕩頻率高度穩定  輸出功率可調，最高可達115dBuV  頻率范圍88.0MHz-108.0MHz，低端可根據要求擴展到76.0MHz  可輸入模擬音頻或數字音頻  具備外部UART接口，可用外部CPU或PC機方便地進(jìn)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(wú)線(xiàn)耳機  車(chē)載MP3音頻轉發(fā)器  無(wú)線(xiàn)話(huà)筒  會(huì )議廣播系統  樓宇音樂(lè )播放  公園音樂(lè )播放  視聽(tīng)娛樂(lè )設備附件  校園廣播電臺 VMR6512內部由一個(gè)CPU對整個(gè)模塊進(jìn)行控制。。需要仔細選擇 LDO，以確保其額定電流能足以滿(mǎn)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(mén)限在音頻下出現。。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(shí)也是必需的。而且該電路只能傳送單聲道的音頻，使用者無(wú)法聆聽(tīng)到高品質(zhì)的立體聲音樂(lè )。。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(guò)孔。音頻信號中不必要的噪聲污染可以通過(guò)良好的系統設計和PCB版圖設計加以避免。。相對于比較大的電容器來(lái)說(shuō)，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(shí)間影響較為顯著(zhù)。選取輸出電流間隔0．2 A，測到步進(jìn)電機最大靜轉矩與電流之間關(guān)系的靜特性曲線(xiàn)，如圖7所示，說(shuō)明該控制系統設計較合理。。

極佳的設計實(shí)踐

便攜式音頻系統中另一個(gè)干擾信號質(zhì)量的噪聲源是耦合進(jìn)模擬輸入和輸出信號的噪聲。3．點(diǎn)擊工具欄中的DESIGN 圖標 ，然后選擇添加測試點(diǎn)圖標 ，然后在PCB 板上需要添加測試點(diǎn)的走線(xiàn)或者焊盤(pán)上，點(diǎn)擊添加測試點(diǎn)即可，如下圖所示。。噪聲耦合機制可以是感性或容性的，但極佳的系統設計和 PCB 布局可以最小化噪聲耦合。支持數字音頻的位數可以是16 bit~32 bit，采樣率從8 kHz~96 kHz；。實(shí)現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(wú)線(xiàn)音頻轉發(fā)器被大量地應用于無(wú)線(xiàn)耳機、車(chē)載MP3轉發(fā)器、會(huì )議廣播、樓宇及公園廣播等地方。。用于差分信號的 PCB 線(xiàn)跡應成對平行布線(xiàn)并確保阻抗匹配，這樣任何噪聲都會(huì )等量地耦合進(jìn)差分信號路徑的兩側（即“共模”信號）。在嵌入式系統設計中，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(jìn)來(lái)的噪聲，從而有效減弱可聽(tīng)到的噪聲。如果在這兩個(gè)引腳上連續保持低電平，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PCB過(guò)孔。。

另外一個(gè)很好的系統設計實(shí)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結的變容二極管特性實(shí)現調頻。。可以假設耦合噪聲的幅度不會(huì )隨著(zhù)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(hù)要求的眾多其它性能一起被無(wú)縫集成到系統中。。因此，如果噪聲電平是恒定的，當信號電平增加時(shí)信噪比 (SNR) 就會(huì )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(shí)際中，因為外殼的原因，我沒(méi)有將插件直接焊在PCB上，有材料且動(dòng)手能力強的朋友可以自己動(dòng)手專(zhuān)門(mén)做一個(gè)外殼。。SNR 越高代表音頻系統的性能就越高。當安置有ECM的系統靠近帶有功率控制的射頻發(fā)射器時(shí)，功率控制產(chǎn)生的RF信號的音頻成份可通過(guò)麥克風(fēng)解調，轉換為可聞?dòng)谝纛l路徑的聲音信號。。低電平信號穿越 PCB 時(shí)，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(gè)系統的 SNR。其結果是，在眾多的重要元器件之間，哪里有一點(diǎn)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(jìn)行放大。麥克風(fēng)設計的挑戰：減少噪聲 頻系統設計人員的主要挑戰是在系統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(fēng)、線(xiàn)跡穿越 (travel across) PCB 板和耦合到噪聲之前得到放大，系統信噪比 (SNR) 為 60dB；音頻系統設計和版圖的要點(diǎn)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(xiàn)跡穿越 PCB 和耦合到噪聲之后才得到放大，因此系統的 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(zhù)阻隔作用。。

圖 1 給出了采用這種方法的一個(gè)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，極大地減小了系統總熱阻。。麥克風(fēng)產(chǎn)生的 25mVp-p 信號A (t) 必須穿越 PCB，并被放大到 1Vp-p 以進(jìn)行進(jìn)一步處理。2．在菜單欄選擇Tools > DFT Audit…，打開(kāi)對話(huà)框，在左邊的Use Test Point 下拉框中選擇需要的測試點(diǎn)類(lèi)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(xiàn)跡，它會(huì )受耦合噪聲的影響，用信號 E(t) 表示。在便攜式音頻系統中，主電源通常是電池。。在方案 A 中，信號在靠近麥克風(fēng)、線(xiàn)跡穿越 PCB 板和耦合到噪聲之前得到放大，系統的 SNR 為60dB；當ECM被置于振動(dòng)環(huán)境時(shí)，比如安裝在電風(fēng)扇或大型喇叭附近的電路板上，音頻系統的主要噪聲源將是振動(dòng)。。而在方案B中，信號在線(xiàn)跡穿越 PCB 和耦合到噪聲之后才得到放大，系統的 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(gè)低電平脈沖，則發(fā)射頻率升高或者降低0.1MHz。。因此極佳的系統設計可以實(shí)現顯著(zhù)的性能提高。3． 點(diǎn)擊工具欄中的Route Editing 圖標 ，然后選擇添加測試點(diǎn)圖標 ，由于點(diǎn)擊此按鈕后，系統將選擇目標自動(dòng)過(guò)濾為過(guò)孔和焊盤(pán)，因此為了可以在走線(xiàn)上增加測試點(diǎn)，我們必須先點(diǎn)擊鼠標右鍵選擇Select Anything，然后在PCB板上需要添加測試點(diǎn)的走線(xiàn)或者焊盤(pán)上，點(diǎn)擊添加測試點(diǎn)即可，如下圖所示。。

對由于系統成本或尺寸限制而不能靠近源端放大的信號來(lái)說(shuō)，盡可能縮短 PCB 線(xiàn)跡長(cháng)度非常重要。Nios II處理器的內部總線(xiàn)通過(guò)定義引腳連到IO，這樣需要連接到Avavon總線(xiàn)的芯片可通過(guò)IO腳連到總線(xiàn)上。。短的 PCB 線(xiàn)跡不太容易受到容性和電感性耦合噪聲的影響。這時(shí)我們可以按以下方法來(lái)添加表面型測試點(diǎn)： 一．在PADS Layout（PowerPCB）中添加表面型測試點(diǎn)1．首先在菜單Setup > Pad Stacks 中添加新的過(guò)孔（通孔）類(lèi)型，把鉆孔Drill設為0，欲加的測試點(diǎn)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(gè)表貼的過(guò)孔類(lèi)型，取個(gè)名字（例如為T(mén)P_TOP和TP_BOTTOM 分別為頂層和底層的類(lèi)型）保存，如下圖所示。。

在內置麥克風(fēng)的系統中需要仔細設計的最后一種信號是麥克風(fēng)偏置電路。無(wú)線(xiàn)FM音頻轉發(fā)器可以將音頻信號調制成高頻信號，在一定距離內用調頻收音機進(jìn)行接收。。在便攜式音頻系統中使用的大多數駐極體麥克風(fēng) (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(gè)回路是鄰近的，則可以選用多路TVS 陣列，這樣，只用一個(gè)器件就能完成兩個(gè)回路的保護圖7 所示是一種音頻/揚聲器數據線(xiàn)路的保護電路。。通常偏置電壓是由遠離麥克風(fēng)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(shí)，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壓器(LDO)。。在這種情況下，偏置電壓會(huì )在到達麥克風(fēng)的途中拾取到噪聲。最簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)音頻轉發(fā)器可以只用一個(gè)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(huì )直接耦合到麥克風(fēng)的輸出中。相對于比較大的電容來(lái)說(shuō)，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(shí)間影響較為顯著(zhù)。。對此，極佳的設計實(shí)踐是在靠近麥克風(fēng)處用電阻和電容對偏置電壓進(jìn)行濾波。一旦信號進(jìn)入音頻頻段，就很難消除。。圖
2 就是一款典型的麥克風(fēng)電路設計，其采用了“偽差分”連接和 RC 濾波器來(lái)衰減偏置電壓帶來(lái)的噪聲。根據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(fēng)的偏置電壓進(jìn)行濾波是一種很好的設計實(shí)踐
所有的音頻系統都需要某種類(lèi)型的變送器才能使用戶(hù)聽(tīng)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。。大多數系統都有耳機輸出。2．2 鍵盤(pán)／LED模塊 為實(shí)現人機對話(huà)，該系統設計擴展了3x4按鈕矩陣鍵盤(pán)和4片8段LED數碼管，可手動(dòng)直接操作該控制系統。。一些系統含有內置揚聲器，或驅動(dòng)外部揚聲器的輸出電路。這樣，就有多個(gè)電源引腳用于提供模擬和數字電源，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(guān)的電路線(xiàn)跡的阻抗最小化至關(guān)重要。不過(guò)，過(guò)去50年間，ECM始終沒(méi)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(wèn)題，它在新型便攜式設備中的功能性受到限制，成為音頻系統設計人員、機械設計人員以及制造商的關(guān)鍵“痛點(diǎn)”。。如果 PCB 線(xiàn)跡有不必要的高阻抗，功率就會(huì )損失在 PCB 線(xiàn)跡上，無(wú)法送達變送器。四、加工 在準備充分以后，該制作PCB了，關(guān)于手工制板的方法很多，比如專(zhuān)用的刻板機(有條件的學(xué)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(huì )導致音頻質(zhì)量的下降、電池使用壽命縮短以及系統中不必要的發(fā)熱。圖2: 采用ECM和集成式FET的音頻系統的典型示意圖。。盡量使揚聲器和耳機的電路線(xiàn)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(lái)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中可以實(shí)現高質(zhì)量的音頻