专利名称：线性连续可调声强衰减方法及衰减器的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号特别是声强信号的对数衰减方法及衰减器，具体地，本发明涉及
线性连续可调信号特别是声强信号的对数衰减方法及衰减器。
背景技术：
1834年，韦伯发现剌激的差别阈限是剌激本身强度的一个线性函数，被称之为韦 伯定律；也就是说，动物反映世界并不是反应自然界各物理参数绝对量，而是反应它们的相 对量，即变化量与参照绝对量的比值。这一定律适用于各个感觉系统，因此感觉的心理物理 量反映的是剌激绝对量与参照值比值的对数。人对外界剌激(如光亮度、化学分子浓度、机 械剌激压强等)强度的感觉(听、视、嗅、味、体感觉等)是按分贝(对数)来描述的，如对 声音强度是声强(I)，以dB SPL来描述"l01g,or / = 201g#dB SPL (1) 乜o 其中P。、 E。为参照声音的绝对声压或声能，通常为人的最低感受值，Pp E工为测定 声音的绝对声压或声能。 为了适合人类对自然的心理感受，通常设置一最大感受值，再按人类感受自然的 规律进行对数衰减，如对音频信号或其他一些特殊感觉信号(如光亮度、化学分子浓度、机 械剌激压强等)的衰减往往要求按分贝(dB)刻度的衰减量来进行。根据分贝(dB)的定义， 相对于自然剌激强度参数，这是一种非线性变化关系。 传统的衰减器主要有以下几种1、电位器衰减器，通过调节一个可变电阻的阻值 来调节衰减器的衰减量，可连续调节，但很难按分贝或对数刻度来定量指示其衰减量的大 小；2、程控衰减器，利用编程的方法来设置衰减器的衰减量，可按任意方式来设置，但必须 可变元器件参与，并且不利于使用者的手动控制；3、电调衰减器，利用PIN管的可变电阻特 性来对信号进行衰减，大多数应用在微波频段，容易实现衰减信号的阻抗匹配，缺点也是很 难定量指示其衰减量的大小。 因此，提供一种能连续线性调节按分贝或对数刻度衰减量的衰减器，在各种仪器 和仪表以及家电对信号衰减的应用，特别是对音频信号衰减的应用中，将有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供能够连续线性调节按分贝或对数刻度衰减量的衰减器及 方法。 本发明的一种技术方案是这样实现的提供一种线性连续可调信号特别是连续可 调声强信号的对数衰减方法，其主要包括以下步骤生成第一脉冲(即，脉冲Ts)并基于第 一脉冲获得第一信号(即，电容CH的电压U(O));生成脉冲宽度可调的第二脉冲(S卩，脉冲 Tw)并基于第二脉冲获得第二信号(即，电容CH的电压u(Tw))，其中，第二信号是从第一信 号逐渐衰减而成；以及，将按照时序排列的第一信号、处于第一信号与第二信号之间的变化过程信号、以及第二信号作为衰减量控制信号(即，Pc)与输入的信号(例如音频信号，即 Pi(t))进行乘法运算从而对数衰减该信号(音频信号)。 具体地，可以通过调节第二脉冲的脉冲宽度从而线性调节信号(如音频信号)的 衰减量。 具体地，可以进一步包括在进行乘法运算之前对衰减量控制信号进行校正的步骤。 本发明的另一种技术方案是这样实现的提供一种采用本发明方法的线性连续可 调声强衰减器，其包括用于生成第一脉冲以及第二脉冲的定时器电路；基于第一脉冲以 及第二脉冲按照时序生成第一信号、处于第一信号与第二信号之间的变化过程信号、以及 第二信号的衰减量控制信号产生电路；以及用于执行乘法运算的电路(例如音频电路)。
具体地，定时器电路可以包括能够生成第二脉冲的定时器(XI)以及能够调节第 二脉冲的脉冲宽度的可变电阻(Wl)。 具体地，衰减量控制信号产生电路可以包括多路模拟开关(Ul)以及电容(CH)，多 路模拟开关基于第一脉冲以及第二脉冲控制电容产生按照时序排列的第一信号、处于第一 信号与第二信号之间的变化过程信号、以及第二信号。 具体地，第一信号、处于第一信号与第二信号之间的变化过程信号、以及第二信号 可以为电压信号，衰减量控制信号产生电路进一步包括对电压信号进行校正的校正电路。
具体地，校正电路可以为可变增益放大电路，可变增益放大电路包括可变电阻 (W2)，其用于调节初始时刻电容的电压的校正电压与参数k的乘积为1。
具体地，参数k可以设为k = 0. 1V一1。 具体地，电路(如音频电路)可以包括乘法器芯片，乘法器芯片包括两个输入端和 一个输出端，两个输入端分别接收衰减量控制信号以及信号(如音频信号)，输出端输出已 衰减的信号(如音频信号)。
本发明的有益效果如下 众所周知，神经细胞的电阻性和电容性决定了其电反应特性。依据神经细胞的电 特性，本发明提供一种线性连续可调声强或其它信号的对数衰减器。该衰减器以简单的电 容电阻环路完成，通过可变电阻的线性连续变化来按分贝(dB)关系调节衰减量；以电 容(CH)按一定时序分别工作在充电、放电和保持状态；用定时器产生一个宽度正比于可变 电阻(w》的脉冲(Tw)来终止电容(CH)的放电过程，并使电容(CH)电压保持为u(Tj，这个 电压作为电路的衰减量控制电压，从而实现通过可变电阻的连续线性变化来按分贝或 对数关系调节衰减器的衰减量。 本发明的一个突出优点是能够通过线性调节一个可变电阻的阻值来精确定量衰 减器的分贝或对数刻度衰减量。 本发明的另外一个优点是所述的线性调节是连续而不是离散的。 本发明模仿听觉中枢神经元能以动作电位产生时间或称延时反映剌激声音强度
的关系，依据神经细胞的电反应特性，提供了一种线性连续可调的按分贝或对数衰减信号
衰减器的实现方法和电路模型。 以下结合附图和实施例，来进一步说明本发明，但本发明不局限于这些实施例，任 何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。
图1、RC并联电路。 图2、本发明的RC电路的工作时序示意图。 图3、本发明的线性连续可调声强衰减器实施电路图。 图4、本发明的一个关于音频信号衰减量与可变电阻巧的阻值关系的示意图。
具体实施例方式
发明人在对听觉中枢机制的研究中发现听觉中枢神经元能以动作电位产生时间 或称延时很好地反映剌激声音的强度，而且这种反应关系是基于神经元的电容性和电阻性 的电反应特性。因此，本发明针对以上所述的可变衰减器按分贝或对数刻度衰减量的调节 上所面临的不能线性连续可调的问题，借鉴神经细胞的电反应特性，提供一种线性连续可 调的按分贝或对数衰减量的衰减器的实现方法和电路模型。 该线性连续可调的按分贝或对数衰减量的衰减器，包括三个功能模块，即按分贝 的对数衰减模块、线性调节模块和乘法运算模块，由以下三个过程实现 1、按分贝的对数衰减。对于图1所示的RC并联电路，假如其初始电压为u(0)，则 在A时刻电容两端的电压u(A)表示为式(2)
u(入)=u(0)e—"T (2) 其中t = RC为电路的时间常数，式(2)可做以下变形
^ lnM =」 (3)
<=> lg
"(0) _ T
,，A， "(A) 201ge ， 8.686 ， ^、 ^」、
/ = 201g~^ =----义 (dB) (4) 由公式(1)知正号表示较参照信号强或增益，负号表示较参照信号弱或衰减；当
声压转化为电变化时，以电压代表声压，即有分贝衰减量(I)等于201g:。公式(4)可以
w(O)
表述为在A时刻电容两端的电压u(A)相较初始电压(u(O))被衰减了^^A(dB)，也就
是说，电容两端电压的分贝衰减量与电容放电时间(A)成正比，与电容电阻回路的时间常
数(t)成反比；其中A、t可为任意值；t 二RC，R和C亦可相应取值。因此，选择特定的
分贝衰减量输出，只要选择特定时间下RC回路电容两端电压即可。其时间选定由以下线性
调节模块完成。 2、线性调节。选定RC回路放电时间，也就选定了输出的分贝衰减量。为设定选定 时间，可选择定时器电路，也可由其它电路或方法实现。该电路主要由定时器、可变电阻和 电容组成，用于产生一个定时脉冲宽度(Tw)与可变电阻(w)成正比的脉冲。如此，电容特 定时间A则可经脉冲宽度(Tw)由可变电阻(w)设定
A — Tw °^ w (5) 3、乘法运算。经过程l所输出的是RC电路电容两端被衰减了的电压u(A)。为实现对任意输入信号Pi(t)的衰减作用，可采用一附加有可调增益放大器的乘法器电路完
/ 8掘
成。由过程l中公式(4)可知，m(;l)^o^xm(0^10—i xi/CO)，设乘法器的乘积因子为k，
可调增益放大器的放大倍数为A，经放大后的输出相应于前端经RC的输入u ( A )为p。(入) =Au(A)。因此，经乘法运算后的输出p。(t)可表示为
8.686 ,
-乂
P0(0 = ^c WA (0 =A (,) = M 。i w(O)/7, (0 ( 6 )
如将系统电路设置为kAu(O) = l，则系统的输出为
8.686 ，
—乂
那么，该电路衰减系统的衰减量可以由RC电路的放电时间来表示
/^mgML2(Hg^^-，A (7) 、(0) r 因此，该系统可以通过线性调节定时器的可变电阻从而控制RC电路的放电时间 (入)以乘法器运算来按分贝或对数衰减输入信号。 基于以上的原理，为了实现分贝或对数衰减量的线性调节方法，本发明提供的可 变衰减器的特征在于包含 —个附加有可调增益放大器的乘法器电路它包括两个输入端和一个输出端，输 入端中的一为输入声音信号，另外一个输入衰减量控制信号，输出端输出衰减后的声音信 号。该电路的输入和输出的关系应满足式(6)，并且需要把衰减量控制信号的初始值与系数 k的乘积kAu(O)调节为l。本发明的音频电路用一个乘法器电路实现，也可选择的用其他 类似的电路来实现；衰减量控制信号的初始值与系数k的乘积的调节用一个带可调增益放 大器(A)的校正电路来实现。 —个衰减量控制电路该电路是一个由模拟开关控制的RC电路，其按一定时序分 别工作在充电、放电和保持状态。该电路的工作时序图如图2所示，图中横坐标表示时间， 纵坐标表示电容两端的电压，以电容开始放电时刻为0时刻，在0时刻之前给模拟开关的 一控制端施加一个宽度为Ts的脉冲，使电容工作在快速充电状态，脉冲Ts可以由按键电路 提供也可以由其他电路提供，在脉冲Ts结束之前电容充电完毕电压保持在u(O)(—般为 VCC)，脉冲Ts结束的同时触发一个宽度为Tw的脉冲，这个脉冲施加于模拟开关的另一控制 端，使电容工作在放电状态，脉冲lw结束后电容放电停止，并保持在u(Tj。依据式(4)和 (5)，这个脉冲的宽度Tw与衰减量I成正比，即，可以通过调节脉冲宽度Tw来线性调节音频 分贝或其它信号的对数衰减器衰减量I。 —个定时器电路该电路主要功能是设置脉冲宽度lw，主要由555定时器电路来 实现，也可以由其他类似的电路来实现，定时器输出脉冲宽度lw由一可变电阻来线性调节， 因此，该可变电阻的阻值与信号分贝衰减器的衰减量I成正比。 如图3所示，为本发明的线性调节的音频分贝或其它信号的对数衰减器的一个实 施电路图，该电路图包括 衰减量控制信号产生电路该电路主要由一个多路模拟开关Ul、电容CH、电阻Rl 和R2组成，Ul的输入端2Y0悬空、2Y1通过电阻R2接电源VCC、2Y2通过电阻R1接地，Ul 的输出端2C接电容CH。当Ul的控制端A为高、B为低时，模拟开关2Y1 2C导通，即相当
6于电容CH通过电阻R2接电源VCC，电容被充电，通常R2的值很小，CH很短时间内充电到 VCC ;当Ul的控制端A为低、B为高时，模拟开关2Y2 2C导通，即相当于电容CH通过电阻 Rl接地，电容按式(2)所示的关系放电，作为一个特例本发明的电路中Rl = 8. 686kQ ， CH =1 ii F，则t = RICH = 8. 686ms，但不能忽视本发明中的电阻Rl和电容CH也可选择其他 值；当Ul的控制端A为低、B为低时，模拟开关2Y0 2C导通，即相当于电容CH悬空，电容 电压处于保持状态。因此，只要按一定时序设置模拟开关U1的控制端A和B的电平就可使 电容CH工作于充电、放电和保持的状态，从而产生所需的衰减量控制信号。
定时器电路该电路主要由555定时器Xl、可变电阻Wi和电容G组成，用于产生 一个宽度为Tw的定时脉冲，Tw的值可由式(9)来表示
Tw = 1. 1W^2 (9) 即可通过调节可变电阻Wi来线性地改变脉冲宽度Tw。 555定时器XI由控制脉冲 Ts的下降沿触发，同时控制脉冲Ts也是模拟开关Ul的控制端A的控制信号，同时定时器电 路产生的脉冲lw是模拟开关Ul的控制端B的控制信号，因此，模拟开关U1的控制端A和B 的控制信号的工作时序可描述为首先，给予脉冲L，这时U1的控制端A为高电平、B为低 电平，模拟开关2Y1 2C导通，电容CH快速充电到VCC ;接着，脉冲Ts结束后下降沿触发定 时器电路产生脉冲lw，在Tw期间Ul的控制端A为低电平、B为高电平，模拟开关2Y2 2C 导通，电容CH按式(2)所示的关系放电，到lw时刻停止放电；然后，Ul的控制端A为低电 平、B为低电平，电容CH悬空而保持电压u(Tw)不变，该电压经过校正电路调整为这个电压 即为衰减量控制信号。 音频电路该电路主要由一个乘法器芯片组成，其两个输入量分别为衰减量控制
信号Pc(A)和音频信号Pi(t)，输出u。可表示为 p。(t) = kPc(A)Pi(t) (6) 其中参数k由乘法器的外围元器件确定，本发明的电路中的参数k = 0. IV—、
, w，、 校正电路该电路是一个可变增益放大电路，其放大倍数为A":l + ^)，主要由
运放U4，可变电阻^和电阻R5组成，其输入u(Tj和输出Pc的关系用式(10)表示
/^(义)=^(7;) = (1 + ^>/(7^) (10) 该电路的作用就是调整可变电阻w2使初始时刻电容CH的电压(u(O) = VCC)的 校正电压Pc(入)与参数k的乘积为l，即 Ww(O) = A(1 + ^>(0) = 1 (11) 因此，结合式(8)和式(9)，本发明的衰减器经过校验后，实现了音频信号按分贝
或对数刻度衰减量的线性调节，如式(12):
w丄—Tw —人—I (12) 如图4所示，这是本发明的一个关于音频信号或其它信号的对数衰减量与可变电 阻巧的阻值关系的示意图。图中的横坐标为可变电阻巧的阻值，纵坐标为衰减量的分贝值 (dB)。从图中可以看出音频信号衰减量与可变电阻巧的阻值的关系曲线为一条经过零点 的直线，这进一步说明可以通过设置可变电阻巧的阻值来连续线性设置本发明的衰减器的 分贝(dB)衰减量，这种调节方式比由电阻网络或其他方法组成的音频衰减器更精确灵活。
权利要求
一种线性连续可调信号的对数衰减方法，包括(1)生成第一脉冲(Ts)并基于所述第一脉冲获得第一信号(u(0))；(2)生成脉冲宽度可调的第二脉冲(Tw)并基于所述第二脉冲获得第二信号(u(Tw))，其中，所述第二信号是从所述第一信号逐渐衰减而成；以及(3)将按照时序排列的所述第一信号、处于所述第一信号与所述第二信号之间的变化过程信号、以及所述第二信号作为衰减量控制信号与输入的信号进行乘法运算从而对数衰减所述信号。
2. 如权利要求1所述的线性连续可调信号的对数衰减方法，其特征在于，通过调节所 述第二脉冲的脉冲宽度从而线性调节所述音频信号的对数衰减量。
3. 如权利要求1或2所述的线性连续可调信号的对数衰减方法，其特征在于，进一步包 括在进行所述乘法运算之前对所述衰减量控制信号进行校正的步骤。
4. 一种采用如权利要求l-3之一所述方法的线性连续可调信号的对数衰减器，其特征 在于，包括用于生成所述第一脉冲以及所述第二脉冲的定时器电路；基于所述第一脉冲 以及所述第二脉冲按照时序生成所述第一信号、处于所述第一信号与所述第二信号之间的 变化过程信号、以及所述第二信号的对数衰减量控制信号产生电路；以及用于执行所述乘 法运算的电路。
5. 如权利要求4所述的线性连续可调信号的对数衰减器，其特征在于，所述定时器电 路包括能够生成所述第二脉冲的定时器(XI)以及能够调节所述第二脉冲的脉冲宽度的可 变电阻(Wl)。
6. 如权利要求5所述的线性连续可调信号的对数衰减器，其特征在于，所述衰减量控 制信号产生电路包括多路模拟开关(Ul)以及电容(CH)，所述多路模拟开关基于所述第一 脉冲以及所述第二脉冲控制所述电容产生按照时序排列的所述第一信号、处于所述第一信 号与所述第二信号之间的变化过程信号、以及所述第二信号。
7. 如权利要求6所述的线性连续可调信号的对数衰减器，其特征在于，所述第一信号、 处于所述第一信号与所述第二信号之间的变化过程信号、以及所述第二信号为电压信号， 所述衰减量控制信号产生电路进一步包括对所述电压信号进行校正的校正电路。
8. 如权利要求7所述的线性连续可调信号的对数衰减器，其特征在于，所述校正电路 为可变增益放大电路，所述可变增益放大电路包括可变电阻(W2)，其用于调节初始时刻所 述电容的电压的校正电压与参数k的乘积为1。
9. 如权利要求8所述的线性连续可调信号的对数衰减器，其特征在于，所述参数k设 为k = 0. IV—、
10. 如权利要求4-9之一所述的线性连续可调信号的对数衰减器，其特征在于，所述电 路包括乘法器芯片，所述乘法器芯片包括两个输入端和一个输出端，所述两个输入端分别 接收所述衰减量控制信号以及所述信号，所述输出端输出已对数衰减的信号。
全文摘要
本发明公开了一种线性连续可调信号的对数衰减方法及衰减器，其包括用于生成第一脉冲以及第二脉冲的定时器电路；基于第一脉冲以及第二脉冲按照时序生成第一信号、处于第一信号与第二信号之间的变化过程信号、以及第二信号的衰减量控制信号产生电路；以及用于执行乘法运算的音频电路。本发明能够通过线性调节一个可变电阻的阻值来精确定量衰减器的分贝或对数刻度衰减量。
文档编号H03H11/24GK101771397SQ200810220728
公开日2010年7月7日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者周凌宏, 张正刚, 梁妃学, 肖中举, 邓亲恺 申请人:南方医科大学