在当前功能整合的便携式多媒体设备中，日益变小的系统集成了越来越多的功能。尽管ECM的输出是单端的，为获得最佳噪声性能，设计人员通常通过从ECM附近的未用前置放大器输入各产生一路线迹，并使两路线迹保持平衡，再使用一个差分输入放大器，消除了两路线迹中的共模板级噪声源。。音频是市场上任何具有多媒体功能的系统中最基本的功能，但系统设计人员通常更关注便携式多媒体设备 “吸引人眼球”的特性，如无线连接、视频处理、图像捕获以及显示等。关键词：设备驱动程序 嵌入式系统 软件设计 可移植性 1 嵌入式系统设计 由于嵌入式系统有着体积小、功能集中、可靠性高等优点，已被广泛地应用到日常生活的各个方面，如移动通信、工业控制、医疗器械，家用电器等。。因此，在众多的“重要”组件之间，哪里有一点空间，就把音频电路挤身到哪里，从而导致音频质量非常一般乃至低劣。北京瑞宇飞科技有限公司开发的无线音频转发模块VMR6512很好地解决了成本与音质和频率稳定度之间的矛盾，让所有的人都能以很低的成本享受到广播级别的音质。。然而，只要稍加注意，就能将完美的音频质量与用户所要求的其它众多性能一起被无缝集成到系统中。最好的折衷办法是把LED焊接到粘在金属散热器上的印刷电路板(PCB)上。。本文提供了一些与包含有音频回放和/或录音功能的任何便携式系统设计相关的完美系统设计和 PCB 板布局的各种建议。在PADS Layout（POWERPCB）中添加测试点时，默认的是以标准过孔STANDARDVIA 作为测试点，但这是通孔方式的测试点，为了节省测试点所占用的PCB 空间，高密度布线中我们更需要表面形式的测试点。。

在便携式音频系统中存在许多引起劣质音频的原因，不过本文主要讲述模拟音频信号上的噪声源对音质的影响。图4所示为一个采用了CMOS MEMS模拟麦克风的典型音频系统。。不管是平坦噪声（白噪声）还是音调的非谐波噪声都会引起最终用户的烦感。相比传统模拟 PFC 产品，CS1500 和 CS1600 为电源和照明镇流系统设计人员带来了更高的性能和简化的设计。。通常我们听到的“背景嘶嘶作响”就是白噪声，当抚静音频 (quite audio) 通过时这种噪声非常明显，而音调噪声会根据频率的不同而表现为“嗡嗡声”，“哼哼声”或“呜呜声”。图4: 采用CMOS MEMS麦克风的典型音频系统示意图。。音频信号中不必要的噪声干扰可以通过完美的系统设计和 PCB 板布局加以避免。PCB做好后可以开始焊接了，原则是先焊电阻，再焊电容，三下五除二就焊接完毕了。。

大多数便携式音频系统都采用数模转换器 (DAC) 或编解码器芯片将数字音频转换成模拟信号。CS1500 和 CS1600 采用 8 引脚 SOIC 封装，已开始供货，每 1,00 万片的批量单价为 0.3 美元。。因此音频编解码器或 DAC 周围的布局非常重要。在PCB 设计中，我们经常需要对某些信号线增加一些测试点，以便在产品调试中对其信号进行测试。。

编解码器或 DAC 均为在同一芯片中同时包含有模拟和数字电路。此外，模块还提供了UP和DOWN两个引脚，以便在没有外部CPU或控制串口的情况下进行频率调整。。这样，就有多个电源引脚用于提供模拟和数字电源，一般标记为 AVDD 和 DVDD；现在市面上有相当多的采用BA1404的车载音频转发器或者无线耳机成品出售。。而其他模拟电源引脚则标记为 HPVDD、DRVDD、SPKVDD 以及 PVDD。音频系统中另一个最常见的噪声源是电源(偏置电压)波动。。这些电源引脚之所以要分开是因为数字电路的高速开关电流会产生非常大的噪声，而模拟电路对电源噪声又非常敏感。1． 要在PADS Router 中添加测试点必须先在PADS Layout（PowerPCB）中增加好相应的表贴过孔类型，如上面增加TP_TOP 和TP_BOTTOM 测试点的方法。。音频系统设计和电路板布局非常重的一点是：必须为模拟电源引脚提供纹波和瞬变都非常小的“清洁”电源。3 MELP语音编码的硬件构成硬件电路板由Altera公司的FPGA芯片EP2C8作为主控芯片，此外还包括：8 MB容量的SDRAM、2 MB容量的Flash、WM8731音频芯片，自带音频D/A、A/D，为方便调试，另带有串口。。在模拟电源引脚上的任何噪声都会以不同的方式影响音频输入或输出信号的质量。当音频信号产生可听见的干扰(一般称为击穿噪声)时，RF功率放大器的功率门限开启。。

在便携式音频系统中，主电源通常采用电池供电。大多数便携式音频系统采用数模转换器(DAC)或编解码(codec)芯片将数字音频转换成通过耳机或扬声器能听到的模拟信号。。由于系统其它部件（包括无线收发器、存储器和显示器等）造成的瞬态变化，使得电池的噪声非常大。在音频系统中使用ECM还带来了许多机械设计和制造方面的挑战。。因此在给音频编解码器或 DAC 以及其它音频信号路径上的器件（如放大器等）提供模拟电源时，最好不要直接使用电池电压，而是使用具有良好电源纹波抑制比 (PSRR) 和低输出噪声的低压降稳压器 (LDO)。1 系统设计原理 步进电机控制系统主要由单片机、键盘LED、驱动／放大和PC上位机等4个模块组成，其中PC机模块是软件控制部分，该控制系统可实现的功能：1)通过键盘启动／暂停步进电机、设置步进电机的转速和改变步进电机的转向；。这样可确保模拟电路有“清洁”的工作电源。图三 VMR6512 无线音频转发器框图 VMR6512无线音频转发模块具有以下特点： 广播级的音质  全集成封装，无需任何外部元件即可工作  音频采用DSP进行处理，为高音质提供了保证  采用频率合成技术，振荡频率高度稳定  输出功率可调，最高可达115dBuV  频率范围88.0MHz-108.0MHz，低端可根据要求扩展到76.0MHz  可输入模拟音频或数字音频  具备外部UART接口，可用外部CPU或PC机方便地进行控制  提供频率设置UP/DOWN输入，方便独立使用 该模块可应用于： Hi-Fi无线耳机  车载MP3音频转发器  无线话筒  会议广播系统  楼宇音乐播放  公园音乐播放  视听娱乐设备附件  校园广播电台 VMR6512内部由一个CPU对整个模块进行控制。。需要仔细选择 LDO，以确保其额定电流能足以满足所供电电路的需求。因此围绕音频编解码器或DAC的版图设计非常重要。。在模拟电源端去耦电容器的正确使用也很重要。这种门限在音频下出现。。大的去耦电容器（10μF 或以上）非常适合电源电压滤波。在此建议大家：在PCB腐蚀完毕并且吹干后，最好先打孔，然后用沙纸磨亮，再涂上松香兑酒精的溶液，这样既可以助焊，又可以防氧化。。数值较小的去耦电容器（1μF或以下）在提供IC所需的快速瞬变电流时也是必需的。而且该电路只能传送单声道的音频，使用者无法聆听到高品质的立体声音乐。。去耦电容器应尽可能靠近模拟电源引脚放置，并在电容器和电源以及接地的连接中尽可能避免 PCB 过孔。音频信号中不必要的噪声污染可以通过良好的系统设计和PCB版图设计加以避免。。相对于比较大的电容器来说，较小的去耦电容器要更靠近 IC 引脚摆放，因为串联电阻对较小电容器的响应时间影响较为显著。选取输出电流间隔0．2 A，测到步进电机最大静转矩与电流之间关系的静特性曲线，如图7所示，说明该控制系统设计较合理。。

极佳的设计实践

便携式音频系统中另一个干扰信号质量的噪声源是耦合进模拟输入和输出信号的噪声。3．点击工具栏中的DESIGN 图标 ，然后选择添加测试点图标 ，然后在PCB 板上需要添加测试点的走线或者焊盘上，点击添加测试点即可，如下图所示。。噪声耦合机制可以是感性或容性的，但极佳的系统设计和 PCB 布局可以最小化噪声耦合。支持数字音频的位数可以是16 bit~32 bit，采样率从8 kHz~96 kHz；。实现极佳噪声抗扰度的方法之一就是在模拟音频信号路径中尽可能使用差分信号。无线音频转发器被大量地应用于无线耳机、车载MP3转发器、会议广播、楼宇及公园广播等地方。。用于差分信号的 PCB 线迹应成对平行布线并确保阻抗匹配，这样任何噪声都会等量地耦合进差分信号路径的两侧（即“共模”信号）。在嵌入式系统设计中，通常采用以下设计方法。。差分电路具有的共模抑制特性，可很好地抑制任何耦合进来的噪声，从而有效减弱可听到的噪声。如果在这两个引脚上连续保持低电平，则发射频率每0.3秒改变一次。。虽然在许多情况下不能使用差分信号，但这的确是一种非常有用的手段。去耦电容必须尽可能靠近模拟电源引脚放置，并在电容和电源与地的连接中尽可能避免出现PCB过孔。。

另外一个很好的系统设计实践是：让 PCB 板上的易受噪声耦合影响的信号使用尽可能高的信号电平。音频信号从三极管基极输入，利用B-E结的变容二极管特性实现调频。。可以假设耦合噪声的幅度不会随着发送信号电平的增加而增加。然而，只要稍加注意，良好的音频质量就能与用户要求的众多其它性能一起被无缝集成到系统中。。因此，如果噪声电平是恒定的，当信号电平增加时信噪比 (SNR) 就会增加。值得提醒的是：我的PCB输入、输出是选用的这种插件，但在实际中，因为外壳的原因，我没有将插件直接焊在PCB上，有材料且动手能力强的朋友可以自己动手专门做一个外壳。。SNR 越高代表音频系统的性能就越高。当安置有ECM的系统靠近带有功率控制的射频发射器时，功率控制产生的RF信号的音频成份可通过麦克风解调，转换为可闻于音频路径的声音信号。。低电平信号穿越 PCB 时，必须要施加一定的增益，这样不但提高了噪声和信号电平，而且最终降低了整个系统的 SNR。其结果是，在众多的重要元器件之间，哪里有一点空间，就把音频电路挤身到哪里，从而导致音频质量非常一般乃至低劣。。最好的方法是在靠近信号源处对低电平信号进行放大。麦克风设计的挑战：减少噪声 频系统设计人员的主要挑战是在系统设计中使总体噪声最低。。



图 1： 在方案 A 中，信号在靠近麦克风、线迹穿越 (travel across) PCB 板和耦合到噪声之前得到放大，系统信噪比 (SNR) 为 60dB；音频系统设计和版图的要点是，必须为模拟电源引脚提供纹波和瞬变都很小的‘干净’电源。。而在方案 B 中，信号在线迹穿越 PCB 和耦合到噪声之后才得到放大，因此系统的 SNR 仅为 28dB。虽然PCB具有各种热传导率，但它们都对热传导起着阻隔作用。。

图 1 给出了采用这种方法的一个例子。利用陶瓷CeramCool子基板(submount)，可轻松取代LED和金属散热器之间的PCB，极大地减小了系统总热阻。。麦克风产生的 25mVp-p 信号A (t) 必须穿越 PCB，并被放大到 1Vp-p 以进行进一步处理。2．在菜单栏选择Tools > DFT Audit…，打开对话框，在左边的Use Test Point 下拉框中选择需要的测试点类型，如TP_TOP，在右上角勾选PCB Top Side 选项。。红色框表示穿越 PCB 的线迹，它会受耦合噪声的影响，用信号 E(t) 表示。在便携式音频系统中，主电源通常是电池。。在方案 A 中，信号在靠近麦克风、线迹穿越 PCB 板和耦合到噪声之前得到放大，系统的 SNR 为60dB；当ECM被置于振动环境时，比如安装在电风扇或大型喇叭附近的电路板上，音频系统的主要噪声源将是振动。。而在方案B中，信号在线迹穿越 PCB 和耦合到噪声之后才得到放大，系统的 SNR 仅为 28dB。模块默认上电发射频率是100.0MHz，UP或者DOWN引脚上每给一个低电平脉冲，则发射频率升高或者降低0.1MHz。。因此极佳的系统设计可以实现显著的性能提高。3． 点击工具栏中的Route Editing 图标 ，然后选择添加测试点图标 ，由于点击此按钮后，系统将选择目标自动过滤为过孔和焊盘，因此为了可以在走线上增加测试点，我们必须先点击鼠标右键选择Select Anything，然后在PCB板上需要添加测试点的走线或者焊盘上，点击添加测试点即可，如下图所示。。

对由于系统成本或尺寸限制而不能靠近源端放大的信号来说，尽可能缩短 PCB 线迹长度非常重要。Nios II处理器的内部总线通过定义引脚连到IO，这样需要连接到Avavon总线的芯片可通过IO脚连到总线上。。短的 PCB 线迹不太容易受到容性和电感性耦合噪声的影响。这时我们可以按以下方法来添加表面型测试点： 一．在PADS Layout（PowerPCB）中添加表面型测试点1．首先在菜单Setup > Pad Stacks 中添加新的过孔（通孔）类型，把钻孔Drill设为0，欲加的测试点所在层（例如TOP 层）半径设为合适的大小，其它层半径设为0，这样就得到一个表贴的过孔类型，取个名字（例如为TP_TOP和TP_BOTTOM 分别为顶层和底层的类型）保存，如下图所示。。

在内置麦克风的系统中需要仔细设计的最后一种信号是麦克风偏置电路。无线FM音频转发器可以将音频信号调制成高频信号，在一定距离内用调频收音机进行接收。。在便携式音频系统中使用的大多数驻极体麦克风 (ECM) 都需要 2～3V 的偏置电压。前一种情况可以选择单路TVS，而对于后一种情况，如果两个回路是邻近的，则可以选用多路TVS 阵列，这样，只用一个器件就能完成两个回路的保护图7 所示是一种音频/扬声器数据线路的保护电路。。通常偏置电压是由远离麦克风的芯片提供的。因此在给音频编解码器或DAC以及其它音频信号路径上的器件(如放大器等)提供模拟电源时，最好不要直接使用电池电压，而是使用具有良好电源抑制比(PSRR)和低输出噪声的低压降稳压器(LDO)。。在这种情况下，偏置电压会在到达麦克风的途中拾取到噪声。最简单的无线音频转发器可以只用一个三极管构成，如下图所示： 图一 单管音频FM转发器上图采用1只三极管9018构成振荡器。。这种噪声会直接耦合到麦克风的输出中。相对于比较大的电容来说，较小的去耦电容要更靠近IC引脚摆放，因为串联电阻对较小电容的响应时间影响较为显著。。对此，极佳的设计实践是在靠近麦克风处用电阻和电容对偏置电压进行滤波。一旦信号进入音频频段，就很难消除。。图
2 就是一款典型的麦克风电路设计，其采用了“伪差分”连接和 RC 滤波器来衰减偏置电压带来的噪声。根据PCB的热传导率(从4W/mK到1.5W/mK)，温度可上升6至28K。。



图 2 用电阻和电容对靠近麦克风的偏置电压进行滤波是一种很好的设计实践
所有的音频系统都需要某种类型的变送器才能使用户听到产生的音频。而具有相同几何布局的铝制基板(带有安装在PCB上的LED)可承受的温度要高得多。。大多数系统都有耳机输出。2．2 键盘／LED模块 为实现人机对话，该系统设计扩展了3x4按钮矩阵键盘和4片8段LED数码管，可手动直接操作该控制系统。。一些系统含有内置扬声器，或驱动外部扬声器的输出电路。这样，就有多个电源引脚用于提供模拟和数字电源，一般标记为AVDD和DVDD。。因为耳机（大于 16 Ω）和扬声器（大于 4 Ω）需要大功率信号，因此将与这些变送器相关的电路线迹的阻抗最小化至关重要。不过，过去50年间，ECM始终没有什么根本性变化，而且，由于存在大量的机械和环境噪声问题，它在新型便携式设备中的功能性受到限制，成为音频系统设计人员、机械设计人员以及制造商的关键“痛点”。。如果 PCB 线迹有不必要的高阻抗，功率就会损失在 PCB 线迹上，无法送达变送器。四、加工 在准备充分以后，该制作PCB了，关于手工制板的方法很多，比如专用的刻板机(有条件的学校才有，成本高，但制板的质量也最高)，常用的方法有感光制板和热转印。。这会导致音频质量的下降、电池使用寿命缩短以及系统中不必要的发热。图2: 采用ECM和集成式FET的音频系统的典型示意图。。尽量使扬声器和耳机的电路线迹更宽更短不但可以降低这种阻抗，而且还可以降低由此带来的负面影响。PCB作为电路板的原始功能可被保留。。

表 1 在低成本、低功耗便携式音频系统中可以实现高质量的音频