具有自动增益控制功能的音量自动限幅装置

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 制峰值保持电路(2)、ADC转换电路(3)、数字锁存电路(4)和数字比较电路 (5)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)，并根据比较结果来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 时间来变化时基控制电路(7)的控制参数，并由时基控制电路(7)产生控制峰 值保持电路(2)、ADC转换电路(3)、数字锁存电路(4)和数字比较电路(5) 各个部件工作的操作时序，以时基控制电路(7)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 特征在于，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；
其中，所述增益控制模块是由反馈电阻和电子控制开关所构成，通过电子 控制开关(T1、T2、......Tn)与反馈电阻(Rf1、Rf2、......Rfn)分别串联为n条 支路，再将n条支路并联，得以构成运算放大器的反馈电阻(Rf)，其中n为大 于等于2的整数，该反馈电阻(Rf)的两端V1和V2分别连接着运算放大器的反 馈端以及运算放大器的输出端，从而形成运算放大器的反馈回路；所述电子控制 开关通过数字锁存电路(4)控制可编程增益放大电路(1)的增益变化。
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 特征在于，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，其特征在于，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 特征在于，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。

技术领域\n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。\n背景技术\n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。\n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。\n发明内容\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n附图说明\n图1是本发明实施例的电路框图\n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\n图3是没有采用本发明的音频输出信号的波形图\n图4是采用本发明的音频输出信号的波形图\n具体实施方式\n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 产生控制峰值保持电路2、ADC转换电路3、数字锁存电路4和数字比较电路5各 个部件工作的操作时序。\n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，根据该比较结果来调 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产生控制峰值保持电路2、ADC转换电路3、数字锁存电路4和数字比较电 路5各个部件工作的操作时序，以时基控制电路7来协调和控制整个装置的操作时 序。\n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。\n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，RF通过电子控制开关T1、 T2、......Tn与反馈电阻Rf1、Rf2、......Rfn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，Vg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。\n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。\n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。\n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Rf的数量n定 义为9个时，即，反馈电阻包括RF及Rf1至Rf9；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Rf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。\n  标号 电阻阻值 (K) 放大器放大倍数 (倍) 放大倍数的差值 (％) RF 100 10 Rf1 900 9 -10 Rf2 720 8 -20 Rf3 560 7 -30 Rf4 420 6 -40 Rf5 300 5 -50 Rf6 200 4 -60 Rf7 120 3 -70 Rf8 60 2 -80 Rf9 20 1 -90\n表1\n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Rf1-Rf4。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。\n  标号 电阻阻值 (K) 放大器放大倍数 (倍) 放大倍数的差值 (％) RF 200 20 Rf1 200 10 -50 Rf2 100 5 -25 Rf3 50 2.5 -12.5 Rf4 25 1.25 -6.25\n表2\n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。\n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。\n峰值保持电路2可以由一个采样保持器(例如，LF398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。\n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。\nCPU及存储单元6可以采用任何形式的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。\n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4和数字比较电路5的操作控制时序。\n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。\n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元件，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。\n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。\n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。\n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。\n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7产 生适用于峰值保持电路2、ADC电路3、数字锁存电路4和数字比较电路5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。\n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。