CN104811861A - 一种Hi-Fi音频转接器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Hi-Fi音频转接器，属于音频处理技术领域，设置有电控板，电控板上设置有音频数模转换电路和耳机放大电路，所述音频数模转换电路支持对Hi-Fi音频信号的转换处理，对接收的数字音频信号进行数字信号到模拟信号的转换处理后，一路输出至音频输出端子，另一路传输至耳机放大电路，经由耳机放大电路进行功率放大处理后，输出至耳机插座。本发明的Hi-Fi音频转接器可以插接到现有的电脑、机顶盒、CD机等不能满足Hi-Fi输出要求的音源设备上，用于对该类音源设备中Hi-Fi音频信号进行转接输出，并推动后端放音设备或者高阻耳机实现高保真声音的完美呈现。

Description

一种Hi-Fi音频转接器

本申请是2012年12月17日提出的发明名称为 “一种Hi-Fi音频转接器”的中国发明专利申请201210547004.2的分案申请。

技术领域

本发明属于音频处理技术领域，具体地说，是涉及一种用于对Hi-Fi音频信号进行转换、处理的音频转接设备。

背景技术

Hi-Fi是英语High-Fidelity的缩写，意思是“高保真”。所谓“高保真”是指与原来的声音高度相似的重放声音，属于一种高端音频技术。在Hi-Fi领域，高端音频技术一般都是利用台式CD、转盘等音源设备对Hi-Fi音频信号进行数模转换处理后，再通过功放等音响设备进行播放，以实现声音的高品质输出。

而针对目前的发展状况来说，PC、笔记本电脑、平板电脑等电子产品日渐普及，现有的电脑产品对于声音的输出基本都是以集成声卡为主，无法满足用户对Hi-Fi音频信号的播放需求。虽然市场上也有许多独立声卡技术，但是无法满足用户对高阻耳机的输出要求（若采用耳机输出Hi-Fi音频，需要使用高阻耳机才能保障Hi-Fi音频的输出质量）。另外，对于笔记本电脑和平板电脑来说，也无法添加独立声卡，这也是声卡所面临的使用上的局限。

随着APE、FLAC以及苹果的lossless等无损音源技术的发展，也推动了Hi-Fi音频在PC上的应用。而在PC上实现Hi-Fi音频播放功能最常见的解决方案是添加一块优秀的独立声卡，以满足Hi-Fi音频的播放要求。这种设计方案虽然可以满足用户的基本需求，但是也存在一些问题：

1、这种独立声卡只能用在台式电脑上，而近来普及的笔记本电脑和平板电脑，却无法享受到升级声卡带来的Hi-Fi音频，严重制约了这种独立声卡的应用范围。

2、目前的声卡都是基于PCI插槽，采用PCI总线进行传输的，其供电电压仅为5V；而用于对Hi-Fi信号进行功放处理的音频放大电路往往需要正负9V以上的供电电压，所以在声卡的供电电压下，是无法满足Hi-Fi要求的。

3、市面上也有很多小型的USB声卡，直接从USB接口取电，也存在声卡供电不能满足Hi-Fi音频放大电路供电要求的问题，并且在对高阻耳机进行推动时，也会显得力不从心。

4、目前的音频放音设备除了常见的音箱、喇叭，就是耳机了。现有的耳机一般分为两种：入耳的称为耳塞；头戴的称为耳机。一般的耳塞阻抗较低，在32欧姆以内；而耳机的阻抗型号较多，并且越高端的耳机其阻抗一般越高。现阶段，阻抗为300欧姆的耳机比较常见，甚至有的耳机阻抗能够达到600欧姆。在这样的应用场景下，如果没有集成优秀的耳机放大电路，Hi-Fi效果就无从谈起了。而低压供电条件下的声卡无法满足对高阻耳机的驱动要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Hi-Fi音频转接器，可以与现有的电脑、机顶盒、CD播放器等数字音源设备相外接，使该类数字音源设备具备对Hi-Fi音频信号的转换处理能力，进而满足音频放音设备的Hi-Fi播放要求，并实现对高阻耳机的推动。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种Hi-Fi音频转接器，设置有电控板，电控板上设置有音频数模转换电路和耳机放大电路，所述音频数模转换电路支持对Hi-Fi音频信号的转换处理，对接收的数字音频信号进行数字信号到模拟信号的转换处理后，一路输出至音频输出端子，另一路传输至耳机放大电路，经由耳机放大电路进行功率放大处理后，输出至耳机插座；其中，在所述音频数模转换电路中包含有一用于对Hi-Fi音频信号进行数模转换的音频DAC芯片，所述音频DAC芯片将所述数字音频信号转换成左声道模拟差分信号和右声道模拟差分信号，分别输出至合成电路，以合成出一路单端左声道模拟信号和一路单端右声道模拟信号，分别输出至所述的音频输出端子和耳机放大电路。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的Hi-Fi音频转接器可以接收同轴音频信号和USB音频信号，通过内置优秀的音频DAC电路，可以满足Hi-Fi音频从数字信号到模拟信号的高品质转换，将转换后的模拟音频信号传输至外接的音频放音设备，例如音箱、喇叭等，可以实现声音的高品质播放。同时，通过在Hi-Fi音频转接器中内置耳机放大电路，可以实现对低阻抗到高阻抗系列耳机的推动，满足Hi-Fi消费者的不同需求。本发明通过将所述Hi-Fi音频转接器设计成一个独立配件，可以插接到现有的电脑、机顶盒、CD机等不能满足Hi-Fi输出要求的音源设备上，实现对该类音源设备中Hi-Fi音频信号的转换处理，进而推动后端放音设备或者高阻耳机实现高保真声音的完美呈现。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的Hi-Fi音频转接器的一种实施例的结构示意图；

图2是本发明所提出的Hi-Fi音频转接器中电控板的一种实施例的电路原理框图；

图3是图2中波形整形电路的一种实施例的电路原理图；

图4是图2中同轴音频信号转换电路的一种实施例的电路原理图；

图5是图2中USB音频信号转换电路的一种实施例的电路原理图；

图6是图2中通道切换电路的一种实施例的电路原理图；

图7是图2中音频数模转换电路的一种实施例的电路原理图；

图8是图2中合成电路的一种实施例的电路原理图；

图9是图2中耳机放大电路的一种实施例的电路原理图；

图10是图2中单电源转双电源电路的一种实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

本实施例为了解决现有的笔记本电脑、平板电脑、机顶盒、CD机等音源设备由于自身尺寸的局限无法安装优秀的独立声卡，从而导致无法播放Hi-Fi音频的问题，设计了一种可以与该类音源设备相外接，以满足对Hi-Fi音频信号的转换和驱动要求的独立外围配件——Hi-Fi音频转接器，如图1所示。利用所述的Hi-Fi音频转接器可以将该类音源设备中的Hi-Fi音频信号转接输出至后端的放音设备或者高阻耳机，从而实现Hi-Fi音频的高品质输出，进而满足了该类音源设备用户收听Hi-Fi声音的需求。

本实施例的Hi-Fi音频转接器主要由外壳1、设置在外壳1上的同轴端子2、USB端子3、音频输出端子4、耳机插座5以及内置于外壳1中的电控板组成，参见图1所示。其中，同轴端子2用于接收同轴数字音频信号，例如来自电脑声卡、机顶盒、播放器、CD机等音源设备的同轴输入；USB端子3用于接收USB数字音频信号，可以支持笔记本电脑和平板电脑等音源设备的USB音频输入；音频输出端子4用于外接后端的音频放音设备，例如音箱、喇叭等，以实现Hi-Fi音频的对外播放；耳机插座5用于外接耳机，所述耳机可以是普通耳机也可以是高阻耳机，当插接高阻耳机时，可以推动高阻耳机实现Hi-Fi音频的高品质输出。

为了实现对Hi-Fi信号的DAC转换以及对高阻耳机的驱动，在Hi-Fi音频转接器的内部电控板上设置了音频数模转换电路和耳机放大电路，通过音频数模转换电路对经由同轴端子2接入的同轴数字音频信号或者经由USB端子3接入的USB数字音频信号进行数字信号到模拟信号的转换处理，进而传输至音频输出端子4和耳机放大电路，一方面可以借助后端外接的放音设备实现Hi-Fi音频的外扩播放，另一方面可以在耳机放大电路的功率放大作用下，通过耳机插座实现对高阻耳机的推动，进而使得用户可以通过高阻耳机收听到完美音效的Hi-Fi声音，满足用户的不同使用需求。

作为所述电控板的一种优选电路组建方案，本实施例在所述电控板上具体设计了波形整形电路、同轴音频信号转换电路、USB音频信号转换电路、通道切换电路、音频数模转换电路、合成电路、耳机放大电路等主要组成部分，参见图2所示。其中，波形整形电路连接同轴端子，用于对输入的同轴数字音频信号进行波形整形处理，然后输出至同轴音频信号转换电路进行同轴音频信号到I²S信号的转换输出。USB音频信号转换电路连接USB端子，用于将USB数字音频信号转换成I²S信号输出。通道切换电路用于在两路I²S信号（分别通过同轴音频信号转换电路和USB音频信号转换电路转换输出的两路I²S信号）之间进行切换，选择其中一路I²S信号输出至后端的音频数模转换电路，实现对Hi-Fi音频从数字信号到模拟信号的转换处理。通过音频数模转换电路转换输出的左右声道模拟音频信号若为差分形式，则需要通过合成电路将左声道模拟差分信号Lo+、Lo-和右声道模拟差分信号Ro+、Ro-合成为一路单端左声道模拟信号Lo和一路单端右声道模拟信号Ro，一方面传输至音频输出端子，进而发送至外部的放音设备，实现Hi-Fi声音的外扩播放；另一方面传输至耳机放大电路，通过耳机放大电路对左右声道模拟信号Lo、Ro进行功率放大处理后，经由耳机插座驱动外接的耳机（特别是高阻耳机）输出高品质的Hi-Fi声音。

对于电控板上各用电负载所需的工作电源，可以由设置在外壳中的适配器将外部的交流市电转换生成，如图2所示。为了满足高阻耳机的驱动要求，通过适配器转换输出的直流电源VCC至少应为+18V，一路通过单电源转双电源电路将直流电源VCC转换成至少为正负9V的一对直流电源，即大于等于+9V的正电源V+和小于等于-9V的负电源V-，输出至耳机放大电路，为耳机放大电路中的音频放大电路提供工作所需的正负9V以上的供电电压；另一路输出至线性稳压器LDO进行降压变换，以生成电控板上其他用电负载所需的直流工作电源，例如+3.3V的直流电源V3.3，以满足Hi-Fi音频转接器的工作要求。

下面结合图3至图10对电控板上各功能模块的具体电路组建结构分别进行详细地说明。

图3为波形整形电路的原理图，包括一数字逻辑电路U1，所述数字逻辑电路U1的输入端（1脚）通过串联的隔直电容C2以及接地的阻抗匹配电阻R3连接同轴端子J2，接收通过同轴端子J2输入的同轴数字音频信号，并对所述同轴数字音频信号进行隔离整形处理后，通过其输出端（4脚）经电阻R4输出整形后的同轴数字音频信号spdif输出至后级的同轴音频信号转换电路。

在所述同轴音频信号转换电路中包含有一个数字音频转换芯片U5，参见图4所示，接收同轴数字音频信号spdif并将其转换成I²S信号MCK_S、LRCK_S、BCK_S、DATA_S，通过I²S总线传输至后级的通道切换电路。

图5是USB音频信号转换电路的原理图，包括一个USB音频流控制器U3，所述USB音频流控制器U3接收通过USB端子J1输入的USB数字音频信号（差分形式的音频信号），并将其转换成I²S信号MCK_U、LRCK_U、BCK_U、DATA_U，通过I²S总线传输至后级的通道切换电路。

在所述USB音频信号转换电路中，通过USB端子J1的电源引脚VUSB接入的+5V直流电源可以通过由电阻R7、R8组成的分压电路连接USB音频流控制器U3的检测引脚（3脚），以实现USB音频流控制器U3对USB设备是否插入的自动检测。

所述通道切换电路可以采用一颗四路二选一的切换芯片U4进行电路设计，如图6所示，分别接收通过数字音频转换芯片U5和USB音频流控制器U3转换输出的两路I²S信号，并在通道选择信号SEL的控制下，选择其中一路I²S信号，通过I²S总线MCK、LRCK、BCK、DATA输出至后级的音频数模转换电路。

对于所述通道选择信号SEL的生成，可以采用通过检测外部信号源是否插入自动生成，也可以由用户手动切换生成。作为本实施例的一种优选设计方案，为了方便用户选择信号源，优选在Hi-Fi音频转接器的外壳1上设置一个信源选择按键K1，结合图1所示，并通过按键电路连接到切换芯片U4的控制引脚AVB上，向控制引脚AVB输出通道选择信号SEL，以控制切换芯片U4选通相应的一路I²S信号，传输至后续的音频数模转换电路。

对于所述的按键电路可以采用将选择按键K1的开关通路串联在直流电源V3.3与切换芯片U4的控制引脚AVB之间，并将所述控制引脚AVB通过下拉电阻R60接地的方式设计实现，参见图6所示。在使用过程中，可以通过改变选择按键K1的投切位置开控制选择按键K1的开关通路导通或者关断，进而向切换芯片U4的控制引脚AVB输出高电平或者低电平的通道选择信号SEL，以控制切换芯片U4在接入的两路I²S信号之间进行选择切换。

图7是音频数模转换电路的原理图，为了保持良好的音频转换效果，以满足Hi-Fi音频的高品质输出，本实施例采用在频率范围、转换精度以及信噪比等参数方面均能满足Hi-Fi参数要求的音频DAC芯片U2来设计所述的音频数模转换电路。所述音频DAC芯片U2通过I²S总线MCK、LRCK、BCK、DATA接收切换芯片U4选择输出的一路I²S信号，对所述I²S信号进行数字信号到模拟信号的转换处理后，输出差分形成的立体声模拟信号，即：左声道模拟差分信号Lo+、Lo-和右声道模拟差分信号Ro+、Ro-输出至后级的合成电路，以合并成一路单端左声道模拟信号Lo和一路单端右声道模拟信号Ro输出。

在所述合成电路中包含有两个运算放大器U6、U7，分别用于对左声道模拟差分信号Lo+、Lo-和右声道模拟差分信号Ro+、Ro-进行合成处理，参见图8所示。其中，运算放大器U6的同相输入端+通过电阻R26和电阻R21接收正极性的右声道模拟差分信号Ro+，所述电阻R26的两端分别经由电容C22和电阻R62接地；运算放大器U6的反相输入端-通过电阻R25和电阻R20接收负极性的右声道模拟差分信号Ro-，所述电阻R25的两端分别经由电容C24和电阻R27连接运算放大器U6的输出端；将电容C20跨接在电阻R26、R21的中间节点与电阻R25、R20的中间节点之间，通过运算放大器U6的输出端经由串联的限流电阻R29输出合成后的单端右声道模拟信号Ro。同理，对于左声道模拟信号的合成，可以将运算放大器U7的同相输入端+通过电阻R24和电阻R19接收正极性的左声道模拟差分信号Lo+，所述电阻R24的两端分别经由电容C21和电阻R16接地；运算放大器U7的反相输入端-通过电阻R23和电阻R18接收负极性的左声道模拟差分信号Lo-，所述电阻R23的两端分别经由电容C23和电阻R22连接运算放大器U7的输出端；将电容C19跨接在电阻R24、R19的中间节点与电阻R23、R18的中间节点之间，通过运算放大器U7的输出端经由串联的限流电阻R28输出合成后的单端左声道模拟信号Lo。

通过合成电路合成输出的单端左声道模拟信号Lo和单端右声道模拟信号Ro分成两路，一路传输至音频输出端子，用于在外接音箱或者喇叭等放音设备时，将单端的左右声道模拟信号Lo、Ro输出至放音设备实现Hi-Fi音频的播放输出；另一路传输至耳机放大电路，以实现对高阻耳机的推动。

在所述耳机放大电路中，为了满足高阻耳机对大电流的动态需求，避免单纯运放电流输出不够的问题，本实施例采用两个运算放大器U8、U10配合四个晶体管Q1-Q4形成两组音频功放电路的设计方式来分别对左右声道音频信号做电流驱动，以获得更大的带载能力，达到提升音质的设计目的。

参见图9所示，在所述耳机放大电路中，通过合成电路合成输出的单端左声道模拟信号Lo和单端右声道模拟信号Ro各自通过一个电位计VR1、VR2进行信号幅值调节后，再分别输出至两组音频功放电路进行电流放大。在耳机放大电路中设计两个电位计VR1、VR2可以用来对通过耳机输出的音频信号实现音量调节。本实施例的Hi-Fi音频转接器将两个电位计VR1、VR2的阻值调节端子7、8设置在Hi-Fi音频转接器的外壳1上，结合图1所示，以方便用户调节通过耳机输出的左右声道声音的音量。

在每一组音频功放电路中均包含有一个运算放大器和两个晶体管，以用于对单端右声道模拟信号Ro进行驱动输出的一组音频功放电路为例进行说明。单端右声道模拟信号Ro经电位计VR1进行幅值调节后，通过电阻R31和电容C32组成的滤波电路传输至运算放大器U8的同相输入端+，运算放大器U8的反相输入端-连接一分压电路的分压节点，所述分压电路由电阻R35、R32组成，连接在运算放大器U8的输出端与地之间，对通过运算放大器U8输出的右声道模拟信号Rout的直流偏置电压进行分压处理后，作为参考电压反馈至运算放大器U8的反相输入端-。为了增大驱动电流，将通过运算放大器U8输出的音频信号一路通过第一隔直电容C40滤除掉其中的直流偏置电压后，传输至NPN型三极管Q2的基极；另一路通过第二隔直电容C41隔离掉其中的直流分量后，输出至PNP型三极管Q1的基极。所述NPN型三极管Q2的基极通过上拉电阻R33连接正电源V+，集电极连接所述的正电源V+，发射极通过限流电阻R37连接运算放大器U8的输出端。所述PNP型三极管Q1的基极通过下拉电阻R34连接负电源V-，集电极连接所述的负电源V-，发射极通过限流电阻R38连接运算放大器U8的输出端。

为了满足对高阻耳机的驱动要求，所述正电源V+和负电源V-优选采用幅值相等、极性相反的一对直流电源进行所述音频功放电路的具体设计，且至少为正负9V的直流电源，以实现对高阻耳机的推动。

为了保证电流的正确流向，本实施例在两个晶体管Q1、Q2的基极与运算放大器U8的输出端之间还分别连接有一个二极管D4、D3，以防止电流反偏。

将两路运算放大器U8、U10的输出端分别与耳机插座的左声道引脚和右声道引脚一一对应连接，以传输功率放大后的左声道模拟信号Lout和右声道模拟信号Rout，实现对耳机（特别是高阻耳机）的推动。

对于耳机放大电路所需的正负电源V+、V-可以采用如图10所示的单电源转双电源电路转换生成。为了获得正负9V以上的直流电源，需要通过适配器转换输出至少为+18V的直流电源提供给单电源转双电源电路。

在本实施例的单电源转双电源电路中包含有一运算放大芯片U9和一个由两个等阻值的分压电阻R44、R45连接而成的电阻分压网络。将所述电阻分压网络连接在适配器的直流电源输出端子之间，具体为输出至少为+18V的直流电源的输出端子之间，将所述电阻分压网络的分压节点连接运算放大芯片U9的同相输入端+，向运算放大芯片U9的同相输入端+输出至少为+9V的直流电源。所述运算放大芯片U9的反相输入端-通过电阻R43连接所述电阻分压网络的分压节点，并通过由电阻R42和电容C31并联形成的并联支路连接运算放大芯片U9的输出端。将所述运算放大芯片U9的输出端连接虚地点0V，即零电位点，所述虚地点OV应与系统地GND和电源地隔离，由此一来，通过运算放大芯片U9的正电源端子和负电源端子便可对应输出正负9V以上的正电源V+和负电源V-，满足耳机放大电路的工作要求。

本实施例的Hi-Fi音频转接器既能满足电脑声卡、机顶盒、播放器、CD机等音源设备的同轴输入，也能支持笔记本电脑的USB音频输入，适用范围非常广泛。同时，内部集成的耳机放大电路能够推动低阻抗到高阻抗系列耳机，满足Hi-Fi消费者的需求。此外，所述Hi-Fi音频转接器还支持未经放大的信号输出，便于用户连接后端功放等放音设备，适用范围更加广泛。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种Hi-Fi音频转接器，其特征在于：设置有电控板，电控板上设置有音频数模转换电路和耳机放大电路，所述音频数模转换电路支持对Hi-Fi音频信号的转换处理，对接收的数字音频信号进行数字信号到模拟信号的转换处理后，一路输出至音频输出端子，另一路传输至耳机放大电路，经由耳机放大电路进行功率放大处理后，输出至耳机插座；

其中，在所述音频数模转换电路中包含有一用于对Hi-Fi音频信号进行数模转换的音频DAC芯片，所述音频DAC芯片将所述数字音频信号转换成左声道模拟差分信号和右声道模拟差分信号，分别输出至合成电路，以合成出一路单端左声道模拟信号和一路单端右声道模拟信号，分别输出至所述的音频输出端子和耳机放大电路。

2.根据权利要求1所述的Hi-Fi音频转接器，其特征在于：在所述耳机放大电路中包含有两组音频功放电路，分别用于对单端左声道模拟信号和单端右声道模拟信号进行功率放大处理；在每一组音频功放电路中均包含有一个运算放大器，所述运算放大器的同相输入端接收单端左声道模拟信号或者单端右声道模拟信号，反相输入端连接一分压电路的分压节点，所述分压电路连接在运算放大器的输出端与地之间；两路运算放大器的输出端分别与耳机插座的左声道引脚和右声道引脚一一对应连接。

3.根据权利要求2所述的Hi-Fi音频转接器，其特征在于：在所述的每一组音频功放电路中还包含有一颗NPN型三极管和一颗PNP型三极管，所述NPN型三极管的基极通过第一隔直电容连接所述运算放大器的输出端，并通过上拉电阻连接正电源，所述NPN型三极管的集电极连接所述的正电源，发射极连接所述运算放大器的输出端；所述PNP型三极管的基极通过第二隔直电容连接所述运算放大器的输出端，并通过下拉电阻连接负电源，所述PNP型三极管的集电极连接所述的负电源，发射极连接所述运算放大器的输出端。

4.根据权利要求3述的Hi-Fi音频转接器，其特征在于：所述单端左声道模拟信号和单端右声道模拟信号各自通过一路电位计进行信号幅值调节后，输出至所述的音频功放电路，所述电位计的阻值调节端子设置在Hi-Fi音频转接器的外壳上，用于调节左右声道音量。