摘? 要: 介紹了一種全新的多功能長(zhǎng)時(shí)間數(shù)碼語(yǔ)音錄放器件。該器件由ISD單片語(yǔ)音錄放電路、程序已固化的微處理器MCU及數(shù)據(jù)備份電路等組成,采用多芯片標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝,可實(shí)現(xiàn)8種不同的工作模式,并且可由用戶隨意選用。
關(guān)鍵詞: ISD單片語(yǔ)音錄放電路? 多功能? 多芯片? DIP封裝
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語(yǔ)音是當(dāng)前信息社會(huì)現(xiàn)代科技中人機(jī)對(duì)話的最高智能形式。為了滿足市場(chǎng)的要求,越來(lái)越多的電子產(chǎn)品正在成為“會(huì)說(shuō)話”的新一代產(chǎn)品,不僅提高了性能,方便了用戶,也大大提升了這些產(chǎn)品的檔次,越來(lái)越成為市場(chǎng)的新寵。采用標(biāo)準(zhǔn)雙列直插DIP封裝的智能型多芯片多功能長(zhǎng)時(shí)間數(shù)碼錄放語(yǔ)音電路" title="語(yǔ)音電路">語(yǔ)音電路(以下簡(jiǎn)稱DSD),就是適應(yīng)市場(chǎng)的這種需求應(yīng)運(yùn)而生的一種全新的語(yǔ)音產(chǎn)品。它既有單片語(yǔ)音錄放電路的封裝形式,又有著語(yǔ)音模塊及電路板級(jí)的復(fù)雜功能;它還具有外形小、通用性強(qiáng)、成本低、使用方便等眾多優(yōu)點(diǎn);作為一種應(yīng)用面更廣泛的標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)音配套產(chǎn)品,它使ISD語(yǔ)音電路真正成為一種智能型的數(shù)碼語(yǔ)音錄放系統(tǒng)。DSD系列產(chǎn)品作為單片語(yǔ)音電路的“專家級(jí)”完整解決方案,使單片數(shù)碼語(yǔ)音電路的應(yīng)用躍上了一個(gè)新臺(tái)階,出現(xiàn)了一個(gè)全新的局面。
1 DSD系列產(chǎn)品的原理
DSD產(chǎn)品選用目前國(guó)際上技術(shù)較為先進(jìn)的單片語(yǔ)音錄放電路ISD系列產(chǎn)品作為主體,選用高性能RISC 8位單片機(jī)芯片對(duì)ISD語(yǔ)音電路進(jìn)行相應(yīng)的管理與控制,并配上必要的外圍電路與元件組成的,不僅使DSD可以完全實(shí)現(xiàn)基本的錄放功能,并且具有八種不同的可由用戶隨意選用的工作模式。DSD的多功能特點(diǎn)是在總結(jié)目前ISD語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)及其諸多應(yīng)用項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)ISD電路應(yīng)用軟件深入開(kāi)發(fā),不斷優(yōu)化、綜合、升級(jí)而得以實(shí)現(xiàn)的。為了降低成本,在生產(chǎn)中采用了軟件固化技術(shù)。
為了理解DSD的的原理,必須對(duì)ISD語(yǔ)音電路加以了解。因此這里首先系統(tǒng)地介紹一下ISD單片語(yǔ)音電路的主要原理。
ISD語(yǔ)音電路利用ISD公司的DAST專利技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了模擬數(shù)據(jù)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中的直接儲(chǔ)存。這種突破性的存儲(chǔ)方式可以將模擬語(yǔ)音數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入單個(gè)E2PROM或FLASH存儲(chǔ)器中,而不需要經(jīng)過(guò)A/D或D/A轉(zhuǎn)換,從而產(chǎn)生兩個(gè)效果:(1)比同等的數(shù)字存儲(chǔ)方式具有更大的集成度;(2)存儲(chǔ)的模擬數(shù)據(jù)不揮發(fā)。因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)和效果聲, 避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。ISD語(yǔ)音電路的采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率從4.0kHz到 8.0kHz,頻率響應(yīng)最高可達(dá)3.4kHz。片內(nèi)信息可保存100年(無(wú)需后備電源), 可反復(fù)錄音十萬(wàn)次。
ISD系列產(chǎn)品的基本框圖如圖1所示。
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錄音時(shí),ISD器件在存儲(chǔ)模擬數(shù)據(jù)之前,要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。
??? 首先,要將輸入信號(hào)放大到存儲(chǔ)電路動(dòng)態(tài)范圍的最佳電平,這由前置放大器、放大器和AGC部分來(lái)完成。
前置放大器通過(guò)隔直電容與麥克風(fēng)連接,隔直電容用于去掉低電平交流信號(hào)(約2～20mV)中的直流成份。AGC電路動(dòng)態(tài)監(jiān)控放大器的輸出電平并將增益控制電壓發(fā)送到前置放大器,使前置放大器的信號(hào)能得到最高電平又使削波減至最小。前置放大器20dB左右的增益壓縮范圍能補(bǔ)償各種話筒的特性及各種語(yǔ)音音量,即使動(dòng)態(tài)信號(hào)范圍增大20dB也可以保持信號(hào)的完整性,把失真減到最小。
然后,由輸入濾波器完成信號(hào)調(diào)整。模擬信號(hào)的存儲(chǔ)仍然采用采樣技術(shù),因此還需要用一個(gè)抗混淆濾波器以去掉(或至少減到可忽略的程度)超過(guò)1/2采樣頻率的輸入頻率分量。這樣就滿足了所有數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)都適用的奈奎斯特定理。ISD采用8kHz的采樣頻率可使語(yǔ)音質(zhì)量大大優(yōu)于電話的音質(zhì)。低通濾波器的高頻頻限選在3.4kHz,可滿足奈奎斯特定理,而且仍有足夠的頻帶以獲得高質(zhì)量的語(yǔ)音。濾波器是一個(gè)連續(xù)的五極點(diǎn)低通濾波器,在3.4kHz處每8倍程頻率衰減40dB。
信號(hào)調(diào)整結(jié)束后,即可將輸入信號(hào)通過(guò)模擬收發(fā)器寫(xiě)入模擬存儲(chǔ)陣列" title="存儲(chǔ)陣列">存儲(chǔ)陣列中。這里,采用8kHz采樣并且經(jīng)過(guò)電平移位,從而生成不揮發(fā)寫(xiě)入過(guò)程所需要的高電壓,同時(shí)補(bǔ)償與Fowler-Nordheim隧道效應(yīng)有關(guān)的一些實(shí)際因素。采樣時(shí)鐘也用于存儲(chǔ)陣列的地址譯碼,以便將采樣信號(hào)順序地寫(xiě)入存儲(chǔ)陣列。
放音時(shí),錄入的模擬電壓在同一采樣時(shí)鐘的控制下順序地從存儲(chǔ)陣列中讀出,重構(gòu)原來(lái)的采樣波形。這里,在輸出通路上采用平滑濾波器以去掉采樣頻率分量并恢復(fù)原始波形。采樣時(shí)鐘的頻率會(huì)影響錄音的時(shí)間長(zhǎng)度和音質(zhì)。隨著頻率的提高,音質(zhì)會(huì)有所改善,當(dāng)然錄音時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短;反之,較低的采樣頻率會(huì)增加錄音時(shí)間,代價(jià)是降低了音質(zhì)。出廠前,振蕩頻率的精度已經(jīng)微調(diào)到優(yōu)于1%。ISD有一套先進(jìn)的技術(shù),即通過(guò)對(duì)集成在芯片內(nèi)的不揮發(fā)微調(diào)位進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩元件值的微調(diào)。這項(xiàng)調(diào)整既影響振蕩器頻率,也影響濾波器截止頻率。因此,微調(diào)振蕩頻率的同時(shí)也自動(dòng)地微調(diào)了濾波器的截止頻率。
ISD系列器件的線路設(shè)計(jì)使得每個(gè)E2PROM或FLASH存儲(chǔ)器等效于8位存儲(chǔ)器,信息寫(xiě)入存儲(chǔ)單元" title="存儲(chǔ)單元">存儲(chǔ)單元采用閉環(huán)方式。采樣保存電路在編程周期內(nèi)保存數(shù)據(jù)并將需存儲(chǔ)的模擬電壓提供給比較器" title="比較器">比較器的一個(gè)輸入端,比較器的另一個(gè)輸入是存儲(chǔ)單元本身的輸出。在多次寫(xiě)入中,電子被“泵入”存儲(chǔ)單元,存儲(chǔ)電平隨即被反饋回比較器。當(dāng)比較器指示存儲(chǔ)單元的輸出電壓等于采樣保持電平時(shí),就停止該單元的編程過(guò)程。系統(tǒng)的分辨率取決于每次寫(xiě)入時(shí)注入存儲(chǔ)單元的最小電荷量,大約有256級(jí),相當(dāng)于8位精度。這種寫(xiě)入方法避免了單元之間的差異。
所有這些處理過(guò)程都是基于E2PROM/FLASH浮柵技術(shù)的,實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試指出,典型的數(shù)據(jù)保存年限可達(dá)百年。
????DSD系列產(chǎn)品功能強(qiáng)大,涵蓋廣泛,共有8種模式可供用戶選擇,如表1所示。
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????下面給出幾種錄放系統(tǒng)連接方式,如圖2～6所示。
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在實(shí)際應(yīng)用中,為了取得較為完善的錄音效果(這對(duì)很多應(yīng)用項(xiàng)目是至關(guān)重要的),可采用電腦程控自動(dòng)分段錄音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配地址、合理調(diào)整錄音電平、按地址分段精確錄音等,并通過(guò)軟件優(yōu)化,全面解決ISD語(yǔ)音電路存在的抹音問(wèn)題,由于篇幅所限,在此不一一介紹。
2 DSD的主要技術(shù)性能指標(biāo)
(1)頻率響應(yīng):300Hz～3400Hz
(2)信噪比:≥44dB
(3)失真度:≤5%(f=1kHz)
(4)錄放音時(shí)間:
????? DSD-2產(chǎn)品?? 2～4分鐘
?? ? DSD-4產(chǎn)品?? 4～8分鐘
?? ? DSD-8產(chǎn)品?? 8～16分鐘
(5)錄音次數(shù):可達(dá)10萬(wàn)次
(6)斷電語(yǔ)音信息保存時(shí)間:100年
(7)內(nèi)置8種工作模式,用戶可以任意選用其中1種。
(8)單3V直流電源。
3 DSD系列產(chǎn)品的引腳描述
DSD系列產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝形式及類似的加工技術(shù),其外引線為32條腳,尺寸與標(biāo)準(zhǔn)的32腳DIP封裝完全相同。
DSD系列產(chǎn)品的引腳描述如表2所示。
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4 典型應(yīng)用線路舉例
作為一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,這里給出可獨(dú)立控制的家用多人留言機(jī)原理圖,如圖7所示。
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控制部分由按鍵陣列組成,R1～R8對(duì)應(yīng)8個(gè)獨(dú)立的錄音鍵,P1～P8對(duì)應(yīng)8個(gè)獨(dú)立的放音鍵,可分配給家庭中的不同成員使用,互不干擾。聲音輸入由麥克風(fēng)輸入,經(jīng)放大電路放大。聲音輸出經(jīng)功放器件TA7368放大后推動(dòng)喇叭。
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參考文獻(xiàn)
1 ISD全系列單片語(yǔ)音錄放電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用匯編.ISD,1999
2 李齊雄,鄭顏雄. 微控制器原理與實(shí)作.臺(tái)灣:儒林圖書(shū)公司出版,1998