摘? 要: 介紹了一種全新的多功能長時間數碼語音錄放器件。該器件由ISD單片語音錄放電路、程序已固化的微處理器MCU及數據備份電路等組成,采用多芯片標準DIP封裝,可實現8種不同的工作模式,并且可由用戶隨意選用。
關鍵詞: ISD單片語音錄放電路? 多功能? 多芯片? DIP封裝
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語音是當前信息社會現代科技中人機對話的最高智能形式。為了滿足市場的要求,越來越多的電子產品正在成為“會說話”的新一代產品,不僅提高了性能,方便了用戶,也大大提升了這些產品的檔次,越來越成為市場的新寵。采用標準雙列直插DIP封裝的智能型多芯片多功能長時間數碼錄放語音電路" title="語音電路">語音電路(以下簡稱DSD),就是適應市場的這種需求應運而生的一種全新的語音產品。它既有單片語音錄放電路的封裝形式,又有著語音模塊及電路板級的復雜功能;它還具有外形小、通用性強、成本低、使用方便等眾多優點;作為一種應用面更廣泛的標準的語音配套產品,它使ISD語音電路真正成為一種智能型的數碼語音錄放系統。DSD系列產品作為單片語音電路的“專家級”完整解決方案,使單片數碼語音電路的應用躍上了一個新臺階,出現了一個全新的局面。
1 DSD系列產品的原理
DSD產品選用目前國際上技術較為先進的單片語音錄放電路ISD系列產品作為主體,選用高性能RISC 8位單片機芯片對ISD語音電路進行相應的管理與控制,并配上必要的外圍電路與元件組成的,不僅使DSD可以完全實現基本的錄放功能,并且具有八種不同的可由用戶隨意選用的工作模式。DSD的多功能特點是在總結目前ISD語音電路設計及其諸多應用項目的實踐經驗的基礎上,通過對ISD電路應用軟件深入開發,不斷優化、綜合、升級而得以實現的。為了降低成本,在生產中采用了軟件固化技術。
為了理解DSD的的原理,必須對ISD語音電路加以了解。因此這里首先系統地介紹一下ISD單片語音電路的主要原理。
ISD語音電路利用ISD公司的DAST專利技術成功地實現了模擬數據在半導體存儲器中的直接儲存。這種突破性的存儲方式可以將模擬語音數據直接寫入單個E2PROM或FLASH存儲器中,而不需要經過A/D或D/A轉換,從而產生兩個效果:(1)比同等的數字存儲方式具有更大的集成度;(2)存儲的模擬數據不揮發。因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲, 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,頻率響應最高可達3.4kHz。片內信息可保存100年(無需后備電源), 可反復錄音十萬次。
ISD系列產品的基本框圖如圖1所示。
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錄音時,ISD器件在存儲模擬數據之前,要對信號進行調整。
??? 首先,要將輸入信號放大到存儲電路動態范圍的最佳電平,這由前置放大器、放大器和AGC部分來完成。
前置放大器通過隔直電容與麥克風連接,隔直電容用于去掉低電平交流信號(約2～20mV)中的直流成份。AGC電路動態監控放大器的輸出電平并將增益控制電壓發送到前置放大器,使前置放大器的信號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償各種話筒的特性及各種語音音量,即使動態信號范圍增大20dB也可以保持信號的完整性,把失真減到最小。
然后,由輸入濾波器完成信號調整。模擬信號的存儲仍然采用采樣技術,因此還需要用一個抗混淆濾波器以去掉(或至少減到可忽略的程度)超過1/2采樣頻率的輸入頻率分量。這樣就滿足了所有數據采樣系統都適用的奈奎斯特定理。ISD采用8kHz的采樣頻率可使語音質量大大優于電話的音質。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量的語音。濾波器是一個連續的五極點低通濾波器,在3.4kHz處每8倍程頻率衰減40dB。
信號調整結束后,即可將輸入信號通過模擬收發器寫入模擬存儲陣列" title="存儲陣列">存儲陣列中。這里,采用8kHz采樣并且經過電平移位,從而生成不揮發寫入過程所需要的高電壓,同時補償與Fowler-Nordheim隧道效應有關的一些實際因素。采樣時鐘也用于存儲陣列的地址譯碼,以便將采樣信號順序地寫入存儲陣列。
放音時,錄入的模擬電壓在同一采樣時鐘的控制下順序地從存儲陣列中讀出,重構原來的采樣波形。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原始波形。采樣時鐘的頻率會影響錄音的時間長度和音質。隨著頻率的提高,音質會有所改善,當然錄音時間會相應縮短;反之,較低的采樣頻率會增加錄音時間,代價是降低了音質。出廠前,振蕩頻率的精度已經微調到優于1%。ISD有一套先進的技術,即通過對集成在芯片內的不揮發微調位進行編程來實現對振蕩元件值的微調。這項調整既影響振蕩器頻率,也影響濾波器截止頻率。因此,微調振蕩頻率的同時也自動地微調了濾波器的截止頻率。
ISD系列器件的線路設計使得每個E2PROM或FLASH存儲器等效于8位存儲器,信息寫入存儲單元" title="存儲單元">存儲單元采用閉環方式。采樣保存電路在編程周期內保存數據并將需存儲的模擬電壓提供給比較器" title="比較器">比較器的一個輸入端,比較器的另一個輸入是存儲單元本身的輸出。在多次寫入中,電子被“泵入”存儲單元,存儲電平隨即被反饋回比較器。當比較器指示存儲單元的輸出電壓等于采樣保持電平時,就停止該單元的編程過程。系統的分辨率取決于每次寫入時注入存儲單元的最小電荷量,大約有256級,相當于8位精度。這種寫入方法避免了單元之間的差異。
所有這些處理過程都是基于E2PROM/FLASH浮柵技術的,實驗室的測試指出,典型的數據保存年限可達百年。
????DSD系列產品功能強大,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連接方式,如圖2～6所示。
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在實際應用中,為了取得較為完善的錄音效果(這對很多應用項目是至關重要的),可采用電腦程控自動分段錄音系統實現自動分配地址、合理調整錄音電平、按地址分段精確錄音等,并通過軟件優化,全面解決ISD語音電路存在的抹音問題,由于篇幅所限,在此不一一介紹。
2 DSD的主要技術性能指標
(1)頻率響應:300Hz～3400Hz
(2)信噪比:≥44dB
(3)失真度:≤5%(f=1kHz)
(4)錄放音時間:
????? DSD-2產品?? 2～4分鐘
?? ? DSD-4產品?? 4～8分鐘
?? ? DSD-8產品?? 8～16分鐘
(5)錄音次數:可達10萬次
(6)斷電語音信息保存時間:100年
(7)內置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系列產品的引腳描述
DSD系列產品采用標準DIP封裝形式及類似的加工技術,其外引線為32條腳,尺寸與標準的32腳DIP封裝完全相同。
DSD系列產品的引腳描述如表2所示。
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4 典型應用線路舉例
作為一個應用實例,這里給出可獨立控制的家用多人留言機原理圖,如圖7所示。
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控制部分由按鍵陣列組成,R1～R8對應8個獨立的錄音鍵,P1～P8對應8個獨立的放音鍵,可分配給家庭中的不同成員使用,互不干擾。聲音輸入由麥克風輸入,經放大電路放大。聲音輸出經功放器件TA7368放大后推動喇叭。
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參考文獻
1 ISD全系列單片語音錄放電路設計與應用匯編.ISD,1999
2 李齊雄,鄭顏雄. 微控制器原理與實作.臺灣:儒林圖書公司出版,1998