CN1614883A

CN1614883A - 具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置

Info

Publication number: CN1614883A
Application number: CN 200410084740
Authority: CN
Inventors: 龙沪强; 方向忠
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: CN100466467C

Abstract

一种电子设备领域的具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置，包括：可编程增益放大电路、峰值保持电路、ADC电路、数字锁存电路、数字比较电路、CPU及存储单元和时基控制电路，它通过检测输出音频信号的峰值电压，并将其与预定设置的数值相比较，根据比较结果以自动增益控制的方式来调整和控制可编程放大电路的放大增益，将所输出的音量有效地控制或限制在所预定设置的范围内，以恒定保持输出声音的最大音响，从而避免或防止突如其来的陡然激增的音响。所披露的具有AGC功能的音量自动限幅装置，不仅可以广泛应用于电视广播接受设备，还可以普遍应用于无线电收音机等广播收音设备。

Description

具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置

技术领域

本发明涉及一种音量自动限幅装置，尤其涉及一种具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置，属于电子设备领域。

背景技术

电视广播和无线电广播历来深受民众的喜爱，是民众十分关注的重要媒体。近年来，随着广播事业的高速发展，音视频广播不仅成为广大民众了解时事政治和享受文体娱乐的重要媒体之一，也已成为各种各样的音视频宣传广告的重要途径之一。现在，无论是时事报导热点访谈之类的新闻类节目，还是文体球类影视音乐之类的娱乐性节目，都会时常夹杂着各种各样的宣传广告。为了区别于正常的新闻类或娱乐性节目，增强音视频广告的宣传报导效果，提高音视频广告的宣传报导的力度，无论是公益性宣传广告，还是各种产品类宣传广告，各种广告商或广告制作商都常常设计出一些不同凡响的特殊的音调或特别响的声音作为音视频宣传广告内容的开场白，以此来强烈的吸引观众或听众，从而达到扩大音视频宣传广告的效果之目的。然而，这种特殊音调或较响音响的突然出现并非人人都能接受或人人都能喜欢的。特别是在某些特殊的时间、场合或环境中，这种突如其来的不和谐的音调或音响更多是使人感到厌烦，给环境带来很大的不协调不和谐，它会影响欣赏者的观看和聆听的情趣，甚至会影响周围已经熟睡人们的睡眠，或者打搅周围其他正专心致志在工作和学习的人们，等等。此类事例十分普遍，因此，急需克服或避免这种情况的发生。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利名称“大屏幕彩色电视接收机”，申请号：95219728.6，公开号：2248432，该专利将音量控制电路应用于大屏幕彩色电视接收机，并且这种音量控制的设计方法也可适用于同类电视接收机。然而，正如大多数音视接受设备(例如，电视接收机或无线电收音机)一样，现有技术都是只针对音量信号进行输出幅度的恒定控制，而不能对音量信号中的随机变化进行控制，从而在实际使用中就难以避免上述问题的出现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，本发明提供了一种具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置，使其能够有效地避免或防止突如其来的陡然激增的音响。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：可编程增益放大电路、峰值保持电路、ADC电路、数字锁存电路、数字比较电路、CPU及存储单元和时基控制电路。其中，各个部件的相互连接方式：可编程增益放大电路的输入端连接着所输入的音频信号，并且输出所放大的音频信号；峰值保持电路采集和保持所输出的音频信号的峰值电压，并将该信号输入至ADC转换电路，由ADC转换电路将峰值采样保持电路所采集和保持的峰值电压转换成数字信号；所转换得到的数字信号存储于一个数字锁存电路；CPU及存储单元接受用户所设置的音频输出信号的限幅数值，并且该限幅数值存储于另一数字锁存电路；数字比较电路将所存储的输出音频信号的峰值数值和用户所设置的限幅数值相比较，其比较的结果存储于又一数字锁存电路并用于调整和控制可编程增益放大电路的放大增益；CPU及存储单元还根据用户所设置的自动限幅工作持续时间来变化时基控制电路的控制参数，并由该时基控制电路来协调和控制整个音量自动限幅装置的工作时序。

本发明还包括：遥控器以及遥控器接受电路，以便于用户采用遥控器来设置音量自动限幅的数值以及音量自动限幅工作的持续时间。

本发明通过检测输出音频信号的峰值电压，并将其与预定设置的数值相比较，根据比较结果以自动增益控制的方式来调整和控制可编程放大电路的放大增益，将所输出的音量有效地控制或限制在所预定设置的范围内，以恒定保持输出声音的最大音响，从而避免或防止突如其来的陡然激增的音响。

与现有技术相比较，本发明可有效地控制或限制音频信号的输出幅度，从而有可能避免和防止突如其来的异常音响，例如，穿插在音视节目中的宣传广告所产生的异常音响或较大声响，从而为观众或听众提供一种舒心温馨和优雅宁静的欣赏环境。本发明不仅可以广泛应用于电视广播接受设备，还可以普遍应用于无线电收音机等广播收音设备。

附图说明

图1是本发明实施例的电路框图

图2是图1所示可编程增益放大电路的增益控制模块的电路示意图

图3是没有采用本发明的音频输出信号的波形图

图4是采用本发明的音频输出信号的波形图

具体实施方式

以下将结合附图详细讨论根据本发明的具有AGC功能的音量自动限幅装置的实施例。图1是本发明实施例的电路框图，图中，本发明包括：可编程增益放大电路1，用于音频信号的放大输出，并可根据增益控制信号改变其音频信号的放大倍数；峰值保持电路2，用于采集和保持输出音频信号的峰值电压；ADC电路3，用于对峰值保持电路所采集和保持的峰值电压转换成数字信号；数字锁存电路4，分别用于锁存由ADC电路3输出的对应于输出音频信号的峰值电压的数字信号、和由CPU及存储单元6所设置的限幅数值以及由数字比较电路5所产生的比较结果的数值；数字比较电路5，用于对所输入的峰值电压信号数值和设置限幅数值进行比较，并以比较结果控制可编程增益放大电路1的音频信号放大倍数；CPU及存储单元6，用于构成整个装置的控制单元，以及可存储各种例程、用户程序以及用户参数的存储体；和时基控制电路7，用于根据CPU及存储单元6所输入的参数产生控制各个部件工作的操作时序。

本发明各个部件的相互连接方式：可编程增益放大电路1的输入端连接着所输入的音频信号Vi，并且在输出端上输出所放大的音频信号Vo；峰值保持电路2采集和保持所输出的音频信号Vo的峰值电压，并将所采集保持的信号电压输入至ADC转换电路3，由ADC转换电路3将峰值保持电路2所采集和保持的输出音频信号Vo的峰值电压转换成数字信号；所转换得到的数字信号存储于一个数字锁存电路4a；CPU及存储单元6可接受用户所设置的音频输出信号的限幅数值，并且将该限幅数值存储于另一数字锁存电路4b；数字比较电路5将数字锁存电路4b所存储的输出音频信号的峰值数值和另一数字锁存电路4b所存储的用户设置的限幅数值相比较，并其比较的结果存储于又一数字锁存电路4a，据此调整和控制可编程增益放大电路1的放大倍数；CPU及存储单元6还可根据用户所设置的自动限幅工作持续时间来变化时基控制电路7的控制参数，并由该时基控制电路7产生控制各个部件工作的操作时序，以此来协调和控制整个装置的操作时序。

其中，可编程增益放大电路1是由运算放大器(例如，美国国家半导体公司出品的超低噪声宽带运算放大器LMH6624)和增益控制模块组成，且可以根据施加于增益控制模块的外加控制信号来变更放大器的放大倍数。于是，在闭环环路中，可编程增益放大电路1形成自动增益控制(AGC)功能。

如图2所示，为可编程增益放大电路1的增益控制模块的电路示意图。增益控制模块是由反馈电阻和电子控制开关所构成，图中，R_F通过电子控制开关T₁、T₂、......T_n与反馈电阻R_f1、R_f2、......R_fn并联相连共同构成了运算放大器的反馈阻抗，其两端V₁和V₂可分别连接着运算放大器的反馈端(或称之为虚地)和着运算放大器的输出端，从而形成运算放大器的反馈回路；其中，V_g是电子控制开关T的栅极控制电压。当改变电子开关T的栅极控制电压时，即可改变电子开关T(例如，选通双向模拟开关CD4051)的开启或闭合状态时，从而改变可编程增益放大电路1的反馈电阻的阻值，进而改变整个运算放大器(例如，美国国家半导体公司出品的超低噪声宽带运算放大器LMH6624)的增益放大倍数。

与现有可编程增益放大器技术相比较，常规可编程增益放大器的应用大多是用于稳定输出增益的目的，而本发明采用可编程增益放大器的目的并不是单纯用于稳定输出增益的目的，更多是用于实现输出幅度的限制的目的。很显然，由于两者的目的不同，因此各自的应用方法也不同。在本发明实施例中，可编程增益放大器1既可以作为音频信号的中间驱动放大级，也可以作为音频信号的末级功率放大级，在正常工作(即，没有出现较大幅值的异常，不需要进行限幅操作)时，可编程增益放大器1的增益或功率放大倍数最大，以提供和输出正常的音频信号的增益放大或者功率放大；而当进行限幅操作的工作(即，出现不希望存在的较大幅值的异常)时，可编程增益放大器1可根据输出信号的幅值与所设置的限幅数值之间的差值及时调整或降低其增益或功率放大倍数，从而避免或减小所不希望出现的异常音响的声音。

例如，在所说明的实施例中，将运算放大器的基本放大倍数定义为10倍，也就是说，将运算放大器的最大放大倍数定义为10；较佳的是，将运算放大器的输入阻抗定义为10K，反馈阻抗定义为100K，则当运算放大器采用反相放大器工作时，其放大增益倍数为10倍。

若根据需要，将所有可通过电子开关T相并联连接的反馈电阻R_f的数量n定义为9个时，即，反馈电阻包括R_F及R_f1至R_f9；则可编程增益放大器1的编程增益分级也就被定义为10级。此时，如果各个反馈电阻R_f采用下列表1所列出的参数，当电子控制开关T₁至T₉逐个依次导通时，则可以分别获得从10倍、9倍、8倍，...，直至1倍的增益放大倍数。其中，最大放大倍数可作为可编程增益放大电路1的基本放大倍数。

标号	电阻阻值(K)	放大器放大倍数(倍)	放大倍数的差值(％)
标号	电阻阻值(K)	放大器放大倍数(倍)	放大倍数的差值(％)	R_F	100	10
R_f1	900	9	-10	R_F	100	10
R_f1	900	9	-10	R_f2	720	8	-20
R_f3	560	7	-30	R_f2	720	8	-20
R_f3	560	7	-30	R_f4	420	6	-40
R_f5	300	5	-50	R_f4	420	6	-40
R_f5	300	5	-50	R_f6	200	4	-60
R_f7	120	3	-70	R_f6	200	4	-60
R_f7	120	3	-70	R_f8	60	2	-80
R_f9	20	1	-90	R_f8	60	2	-80

表1

在另一实施例中，也可以将编程增益的分级定义为五级，即，选用四个并联相连的反馈电阻R_f1-R_f4。若将运算放大器的输入阻抗定义为10K，反馈阻抗定义为200K，则当运算放大器采用反相放大器工作时，其放大增益倍数为20倍。此时，若各个反馈电阻采用下列表2的参数，当电子控制开关T₁至T₄逐个依次导通时，则可以分别获得从20倍、10倍、5倍、2.5倍直至1.25倍的5级不同的增益放大倍数。其中，最大放大倍数20倍可作为可编程增益放大电路的基本放大倍数。

标号	电阻阻值(K)	放大器放大倍数(倍)	放大倍数的差值(％)
标号	电阻阻值(K)	放大器放大倍数(倍)	放大倍数的差值(％)	R_F	200	20
R_f1	200	10	-50	R_F	200	20

R_f2	100	5	-25
R_f2	100	5	-25	R_f3	50	2.5	-12.5
R_f4	25	1.25	-6.25	R_f3	50	2.5	-12.5

表2

然而，应该理解到的是，针对音视广播节目中突如其来的较响的音响声音来说，在实际的使用过程中，较佳的是，采用表2的所定义的参数和结构。

适用于可编程增益放大电路1的增益控制模块中的电子控制开关可采用任何双向形式的模拟电子开关，其电子开关的数量对应于上述所讨论的增益控制模块9中的反馈电阻的数量。

峰值保持电路2可以由一个采样保持器(例如，LF 398等)电路和一个电压比较器(例如，LM 311等)电路所构成。通过控制采样保持器的逻辑控制端，使得采样保持器可以在定时的时间周期中一直处于采样的状态中，以确保可采样到最高的峰值电压。采样保持器的采样或保持时间周期可以由时基控制电路7根据CPU及存储单元6的控制指令产生。

数字锁存电路4(4a和4b)可以采用任何形式的数字锁存电路，其中，数字锁存电路4a的输出控制位数取决于可编程增益放大电路1的增益变化的控制级数，而数字锁存电路4b的输出控制位数则取决于ADC电路3和CPU及存储单元6所输出的控制位数。较佳的是，根据上述可编程增益放大电路1的增益变化控制的两种结构，数字锁存电路4a可以分别采用10位或4位的锁存器电路，而数字锁存电路4b则可以采用4位的锁存器电路。此外，数字比较电路5可以在时基控制电路7的控制下对在两个数字锁存电路4b中所存储的输出音频信号的峰值数值和用户设置的限幅数值相比较，并将其比较结果保存于数字锁存电路4a。由数字锁存电路4A控制可编程增益放大电路1的增益变化。

CPU及存储单元6是以任何形式的CPU处理器电路和任何形式的存储器电路，例如，可以是在目前电视接收机中已采用的任何形式的CPU处理器电路和任何形式的存储器电路，或者在目前数字电视机顶盒中已采用的任何形式的CPU处理器电路和任何形式的存储器电路，只要它能够实现与用户的交互控制，完成用户所输入的限幅数据的接受和控制。

时基控制电路7，可根据CPU及存储单元6的输出指令来产生控制峰值保持电路2和ADC电路3的音频信号峰值采样保持以及ADC转换的控制时序，产生控制数字锁存电路4b和数字比较电路5的操作控制时序。

此外，本发明还包括遥控器以及相应的遥控接受电路。较佳的是，遥控器可采用红外遥控器，例如，目前电视接收机中广泛采用的红外遥控器以及相应的遥控接受电路。

正如本领域中熟练的技术人士所理解的那样，上述所讨论的各个部件或原件都可以是本领域中所熟知的任何类似或相同的部件或原件，只要能够实现本发明所固有的技术特征。以下将结合图3和图4来详细描述根据本发明具有AGC功能的音量自动限幅装置的工作过程，以及本发明装置的其它相关技术特征。

图3是没有采用本发明的音频输出信号的波形图；图4是采用本发明的音频输出信号的波形图。通过两图比较，本发明的工作特点及技术特征将变得更加清晰。

在图3中，虚线表示输入信号，实线表示输出信号。由于不具备音量自动限幅的功能，输出信号以恒定增益或功率放大倍数来放大所输入的信号，因此，即使输入信号出现所不希望出现的较大异常幅值时，输出信号同样会以相同的增益或功率放大倍数来提供，因此就有可能产生以上所讨论的现有技术的缺陷和不足。

在图4中，虚线表示输入信号，实线表示未采用自动限幅装置时的输出信号，点划线表示采用了根据本发明的音量自动限幅装置1时的输出信号。在正常工作时，可编程增益放大电路1以基本增益或功率放大倍数(即，最大放大倍数)来放大和输出音频信号。

例如，在用户收看电视节目且希望能够设置音量限幅功能时，用户可以根据自己的喜好、生活习惯以及不喜好的宣传广告所出现的时间和持续时间，通过诸如电视接收机的红外遥控器之类的遥控器(未显示)，或者通过电视接收机的面板操作，来设置音量信号的输出限制最大幅度、设限的时间以及设限的持续时间。例如，将音量的输出限制幅度在白天调节至20；在傍晚调节至15；在深夜调节至10等等，又如，在傍晚音量自动限幅的时间可以设置在晚上7时至9时，其中每次的音量自动限幅的持续时间为3分钟至5分钟，而在深夜，音量自动限幅的时间可设置为晚上11时至凌晨2时，其中每次音量自动限幅的持续时间为5分钟至10分钟或者更长时间。通常，该音量自动限幅的持续时间，可以根据在不同节目中所出现宣传广告的持续时间来确定。CPU及存储单元6接受到用户所设置的限制幅度、设限时间以及设限持续时间等参数之后，据此设置和控制音量自动限幅装置1的输出最大幅度、操作的时间和持续限幅操作的时间周期，以及设置和控制时基控制电路6产生适用于各个部件工作的操作时序。在用户所设限的时间周期中，峰值保持电路2持续采集输出信号的峰值电压，且在所设定的一段采样时间周期中始终保持着最高的峰值电压。该采样时间周期可以由用户根据在不同时段中较大音响的宣传广告的出现几率以及用户的喜好和意愿来确定。例如，该峰值电压采样时间周期可确定大约2秒至大约10秒或者更长的时间。也就是说，以采样时间周期为一个周期，峰值保持电路2可持续保持在一个采样时间周期中的最高峰值电压。在时基控制电路7的控制下，ADC电路3转换在采样时间周期中峰值保持电路2所保持的峰值电压，并将转换后的数值输入数字锁存电路4a；数字比较电路5比较在数字锁存电路4a中所存储的采集到的音量峰值电压数值与数字锁存电路4a中所存储的CPU单元5设置的限幅数值；当所采集到的输出音量峰值电压数值小于所设置的限幅数值时，例如，图4中t₀至t₁时间周期所示，可编程增益放大电路1以基本增益或功率放大倍数(即，最大放大倍数)来放大和输出音频信号，如同未采用音量自动限幅装置时的情况；反之，一旦输出的音量峰值数值大于所设置的限幅数值时，例如，图4中t₁至t₂时间周期所示，则可编程增益放大电路1可根据CPU单元的设置来变化器增益或功率放大倍数，例如，采用以上所讨论的增益控制方法将输出信号的幅度将减小至原先幅度的一半，乃至小于一半，也可以根据所输出音频信号的峰值电压数值和所设置限幅数值两者之间的差值来变化器增益或功率放大倍数，例如，减小放大器的电压增益或功率增益，使得所输出的音频信号的峰值电压限制于所设置的限制幅度的范围之内且持续所设置的限幅持续时间；正如以上所讨论的，该限幅持续时间可以根据用户的需求来设置。当限幅持续时间结束之后，可编程增益放大电路1就恢复正常的增益或功率放大倍数，例如，图4中t₂至t₃时间周期所示。反之，如此时，输出的音量峰值电压数值仍旧大于所设置的限幅数值，则将重复上述t₁至t₂时间周期中的操作。在本发明实施例中，音量自动限幅装置的自动限幅所衰减的增益倍数是正常放大增益(即，最大放大增益)的一半，因此当比较结果显示出音量输出信号幅值电压超出限幅幅度时，就自动将输出信号的幅值电压减小一半，其自动限幅的输出曲线正如图4中的点划线所示。

很显然，正如以上所讨论的，本发明可以通过自动增益控制功能实现输出音量的自动限幅功能，从而可有效地避免或消除突如其来的异常音响的声音出现。

Claims

1.一种具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置，其特征在于，

包括：可编程增益放大电路(1)，用于音频信号的放大输出，并根据增益控制信号改变其音频信号的放大倍数，

峰值保持电路(2)，用于采集和保持输出音频信号的峰值电压，

ADC电路(3)，用于将峰值保持电路(2)所采集和保持的峰值电压转换成数字信号，

数字锁存电路(4)，分别用于锁存由ADC电路(3)输出的对应于输出音频信号的峰值电压的数字信号、由CPU及存储单元(6)所设置的限幅数值以及由数字比较电路(5)所产生的比较结果的数值，

数字比较电路(5)，用于对所输入的峰值电压信号数值和设置限幅数值进行比较，并以比较结果控制所述可编程增益放大电路(1)的增益或功率放大倍数，

CPU及存储单元(6)，用于构成整个装置的控制单元，并包括存储各种例程、用户程序以及用户参数的存储体，以及

时基控制电路(7)，用于根据CPU及存储单元(6)所输入的参数产生控制各个部件工作的操作时序，

可编程增益放大电路(1)的输入端连接着所输入的音频信号Vi，并且在输出端上输出所放大的音频信号Vo，峰值保持电路(2)采集和保持所输出的音频信号Vo的峰值电压，并将所采集保持的信号电压输入至ADC转换电路(3)，由ADC转换电路(3)将峰值保持电路(2)所采集和保持的输出音频信号Vo的峰值电压转换成数字信号，所转换得到的数字信号存储于一个数字锁存电路(4b)，CPU及存储单元(6)接受用户所设置的音频输出信号的限幅数值，并且将该限幅数值存储于另一数字锁存电路(4b)，数字比较电路(5)将数字锁存电路(4b)中所存储的输出音频信号的峰值数值和另一数字锁存电路(4b)中所存储的用户设置的限幅数值相比较，其比较的结果存储于又一数字锁存电路(4a)，据此调整和控制可编程增益放大电路(1)的放大倍数，CPU及存储单元(6)还根据用户所设置的自动限幅时间以及自动限幅工作持续时间来变化所述时基控制电路(7)的控制参数，并由所述时基控制电路(7)产生控制各个部件工作的操作时序，以此来协调和控制整个装置的操作时序。

2.根据权利要求1所述的具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置，其特征是，所述可编程增益放大电路(1)包括运算放大器和增益控制模块，增益控制模块是由反馈电阻和电子控制开关所构成。

3.根据权利要求2所述的具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置，其特征是，所述电子控制开关是双向选通模拟开关。

4.根据权利要求1或者2所述的具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置，其特征是，所述可编程增益放大电路(1)用于音频信号的中间驱动放大级，或者用于音频信号的末级功率放大级，在正常工作时，其增益或功率放大倍数最大，而当进行限幅操作的工作时，可根据用户所设置的数值或根据输出信号的幅值与所设置的限幅数值之间的差值自动减小或降低放大器的增益或功率放大倍数。

5.根据权利要求1所述的具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置，其特征是，所述的峰值保持电路(2)由一个采样保持器电路和一个电压比较器电路所构成。