變聲器的畢業(yè)設計

1、 畢業(yè)設計變聲器的設計與實現(xiàn)學生姓名： 學號： 系 部： 專 業(yè)： 指導教師： 2015年6月誠信聲明本人鄭重申明：所呈交的畢業(yè)論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 本人簽名： 年 月 日語齡變換麥克風的設計與實現(xiàn)摘 要變聲器從總的方面分為硬件變聲器和軟件變聲器。變聲器的原理都是通過改變輸入聲音的基本頻率，進而改變聲音的音色和音調，使輸出的聲音在感官上與原來有很大的差異。實質就是對語

2、音信號進行基頻和共振峰頻率的變化。本設計通過介紹基于WIN8072變聲芯片的硬件變聲系統(tǒng)，對系統(tǒng)各部分功能模塊的工作原理進行了詳細介紹和硬件的設計。芯片內部有自帶的A/D、D/A轉換功能和聲音頻率改變功能。使用駐極體麥克風對語音信號進行采集，利用芯片對語音信號進行模數(shù)轉換，使聲音頻率發(fā)生改變，然后又進行數(shù)模轉換使信號輸出。將改變的信號搭配使用LM386的音頻功率放大電路，對語音信號進行放大處理，最終通過電動式揚聲器輸出變聲后的聲音。經過檢測發(fā)現(xiàn)本設計基本實現(xiàn)了變聲功能，達到了預期的效果。關鍵字： 變聲芯片，聲音頻率，LM386，音頻功率放大The Design and Implementati

3、on of a Language Age Shift Microphone AbstractVoice changer in general can be divided into hardware and software. The principle of voice changer is by changing the fundamental frequency of the voice input, and then change the sound timbre and tone, enable the voice output in sensory and had great di

4、fference. The essence is the change of the fundamental frequency and the fundamental frequency of the speech signal.Through the design of the hardware voice system based on WIN8072 voice chip and working principle of each part of the function modules of the system were introduced in detail and the h

5、ardware design. The chip has its own A/D, D/A conversion function and sound frequency change function. The speech signal is acquired by using the microphone in the polar body, and the signal is converted by the chip to the speech signal, and the sound frequency is changed, and then the signal output

6、 is converted to a digital mode. Using LM386 audio power amplifying circuit of the signal will change the match, on speech signal for amplification processing, finally through the electric loudspeaker output voice after voice. After tests found the design basically achieved the voice function, achie

7、ve the expected effect.Key words: Voice chip，Voice frequency，LM386，Audio power amplifier目 錄第1章 緒 論11.1 課題意義與背景11.2 國內外研究現(xiàn)狀11.2.1 國內外語音變換研究現(xiàn)狀11.2.2 語音處理存在的問題與缺陷31.2.3 本文主要研究的內容4第2章 變聲器的原理介紹52.1 變聲的基本原理52.2 變聲器的基本原理62.3 變聲器的類別和功能7第3章 變聲器各部分功能模塊83.1 語音信號的采集83.1.1 駐極體話筒的構造及原理83.1.2 駐極體話筒主要的參數(shù)指標93.2 模數(shù)轉換

8、（A/D）和數(shù)模轉換（D/A）103.2.1 模數(shù)轉換（A/D）103.2.2 數(shù)模轉換（D/A）113.3 SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器）113.3.1 SRAM主要規(guī)格113.3.2 SRAM基本特點和用途123.3.3 SRAM結構原理123.4 電動式揚聲器123.4.1 電動式揚聲器結構123.4.2 電動式揚聲器各部分介紹13第4章 音頻功率放大器LM386154.1 LM386具體描述154.2 LM386特性154.3 LM386詳細介紹164.3.1 LM386內部電路164.3.2 LM 386的引腳特點17第5章 基于WIN8072的變聲系統(tǒng)設計185.1 變音ICWIN

9、8072的具體描述185.2 WIN8072特征185.2.1 電氣特征185.2.2 腳位描述195.2.3 典型的應用電路195.3 變聲器硬件的實現(xiàn)19第6章 總 結23參考文獻24致 謝26第1章 緒 論1.1 課題意義與背景對語音信號進行一些變換使之能夠產生性別變化的特效，比如在男聲、女聲、老年人聲和童聲之間相互變換，最后達到偽裝的效果。語音轉換技術的飛速發(fā)展對我們的生活產生了極大的意義，有著非常廣泛的使用價值，能夠產生很大的經濟效益，具體有以下幾個方面:(1) 聲音恢復。比如在醫(yī)學的領域，有些因為聲帶受損的病人發(fā)音不清楚，如果利用聲音變換技術那就可以修復聲音，對聲音信號進行加強和修

10、復，使聲音信號能夠清楚的被人所接收，在人與人之間的交流中起了很大的作用。還有就是對一些缺損的音頻進行恢復，使之能夠最大化的發(fā)揮其的研究價值。(2) 多媒體的應用。比如在電影的配音中，工作人員要給不同角色反復配音，這樣會產生巨大的工作量?？墒窃谑褂谜Z音轉換技術以后就會大大減少工作量，節(jié)省時間和成本。在日常的生活中，語音變換還能應用到玩具中，給玩具增加語音變換功能，讓大人的聲音能變換成小孩的聲音，反之小孩也能發(fā)出大人的聲音,增加了無窮的樂趣。另外，在網絡游戲中可以讓玩家自己錄制聲音，運用轉換技術進行改變，使得玩家的游戲角色能夠發(fā)出玩家自己的聲音，這會大大增加玩家的游戲興趣，能夠產生身臨其境的感覺，

11、對游戲的推廣有巨大的作用。(3) 聲音的偽裝。在公安系統(tǒng)中，有時發(fā)布信息為了保護說話人的個人隱私，可以使用語音轉換技術對說話人的聲音進行改變后再發(fā)布;相反的是，公安機關如果截獲犯罪嫌疑人經過偽裝后的聲音，可以使用聲音恢復技術對聲音進行還原，獲得有利信息可以大大加快破案速度?？偟膩碚f，語音轉換技術在不斷地飛速發(fā)展，極大的滿足人們在各行各業(yè)的需求 。說到底，語音轉換技術是對語音的識別、合成的延伸和發(fā)展，在語音技術領域有著極其重要的地位。我相信在不久的將來語音轉換技術對人們的生活做出更大的貢獻，各種各樣的語音產品將會不斷產生，走進尋常老百姓的家中，為老百姓的生活增添無窮的樂趣1。 1.2 國內外研究

12、現(xiàn)狀 1.2.1國內外語音變換研究現(xiàn)狀語音變換的實質就是對語音信號進行轉換，使語音信號發(fā)生類似性別改變的特效，使人的聲音能夠在小孩、老人、男人和女人聲音之間隨意轉換，讓聽到聲音的人分辨不出說話人的年齡。語音變換技術在軟件娛樂領域有著非常大的前景和市場，現(xiàn)在已經開發(fā)出許多優(yōu)秀的變聲軟件。就目前所知道的比較有名的商用軟件AVVCS、Vodi、開源軟件SoundTouch和國際知名的語音軟件Praat都具有變聲功能。就目前許多大的通信運營商都有把目光投向變聲這一功能業(yè)務，設計好變聲模塊讓人說話時可以選擇轉換聲音，受到人們的強烈歡迎。還有各式各樣的變聲軟件被開發(fā)出來，不斷地完善變聲缺陷。表1.1是各種

13、變聲系統(tǒng)的比較。通常來講，比較受大家認可的是Praat，這是一個相對來說比較能更好實現(xiàn)變聲的系統(tǒng)?？涩F(xiàn)如今所有的變聲系統(tǒng)都有缺陷，Praat也不例外。首先是它的基頻檢測模塊比較復雜，導致后臺程序運行檢測語音將會花費大量的時間，造成更大的語音延遲。經過檢測發(fā)現(xiàn)它的延時一般都是幾百毫秒級別的，這就造成了實時語音的困擾。其次，因為延時比較大就造成了這個系統(tǒng)是基于離線的，如果說要想讓這個系統(tǒng)能夠實時，并且能夠長期和穩(wěn)定那將會非常的困難2。除了Praat以外，其他變聲產品或變聲系統(tǒng)如AVVCS等，都是基于類似相位聲碼器的基頻移動，然后再附加后端均衡器調制的原理實現(xiàn)的。還有一些系統(tǒng)比說如SoundTouc

14、h等，是通過WSOLA變速和重采樣變調實現(xiàn)的，這兩個方法相對比之下還是比較接近的。這兩個方法相對于Praat，優(yōu)點是經過系統(tǒng)處理后能后獲得長期穩(wěn)定的變聲語音，缺點是生成的變聲語音不是很真實，并且?guī)в锌ㄍɑ母杏X。還有就是Vodi，它的原理與Praat較為接近。并且在22050赫茲的采樣頻率下，實現(xiàn)聲音的實時轉換效果是比較良好的，但是運行時所占用的CPU卻十分高。表1.1 各種變聲系統(tǒng)的比較原理實時性變聲效果語音質量PraatPSOLA離線好，真實、自然好SoundTouchWSOLA實時較好，有一點 卡通化好AVVCS基頻移動和后端均衡處理實時較好，有一點 卡通化好VoDiPSOLA實時好，真

15、實、自然好1.2.2語音處理存在的問題與缺陷在對語音的處理過程中，基本上都是對語音的音調、音色、頻率和語音信號強度的處理，所以問題一般就出現(xiàn)在這幾個基本參數(shù)上面。對聲音的處理大體上有幾個主要方向，比如說聲音的復原、聲音的變聲處理、聲音的壓縮和擴展。首先對聲音的復原是指音頻文件損壞以后，對音頻文件中的損壞部分進行修復，使聲音能夠被清楚地播放出來，解決語音信號的模糊與失真。聲音的變聲處理是使語音信號發(fā)生改變如對基頻和共振峰進行改變，能夠使人的聲音在男女聲之間隨意轉換。聲音的壓縮和擴展就是實現(xiàn)聲音的快慢放，改變人說話的語速，這樣就會使原文件的時長與改變過后文件的時長不一樣3。(1) 信道處理缺陷如今

16、好多的音頻管理系統(tǒng)，使用的都是節(jié)省的管理方式，比如說一個模塊數(shù)據包能包含許多數(shù)據，不可能為一個音頻使用單獨的列陣，它們是相互交叉和錯雜分布的。總的來說，這對語音設備的識別和管理提供了很大的方便，所以這種模式的使用非常普遍。但是這樣又會造成問題，因為相互交叉的通道格式，使得數(shù)據不能方便的獲取和使用，因為數(shù)據必須要排列和重新排列。在這種情況下，就必須要有一個專門的數(shù)據組傳遞儲存數(shù)據，這就是現(xiàn)在最通用的方式?？偟膩碚f，聲音的處理方式都是大體相同的。可是現(xiàn)實生活中許多因素都是不可避免的，比如說設備的好壞、編寫程序的限制、音頻的格式等等，最后造成聲音處理的缺陷。(2) 聲音失真缺陷在聲音的錄制與播放還有

17、處理中，聲音就會不可避免的失真。聲音的失真是指聲音的音色、音調發(fā)生改變，播放以后的聲音沒有達到預期的效果。聲音的失真在聲音的處理中是最常見而且不可避免的，根據實驗證明，最容易產生問題的地方是音頻時長的壓縮和擴展。在音頻壓縮和擴展的過程中，所用到的主流方法是對于幀頻的刪除和復制，這樣一來就會大大增加數(shù)據關鍵幀的丟失和音頻噪聲的擴大。在聲音的錄制方面，聲音的失真一般都是由于設備的簡陋與不完善造成的，設備在接收到聲音時就已經發(fā)生改變，和原本的聲音有了很大的不同。處理聲音的丟失，一般是指在處理的過程中，程序有著缺陷，運行以后就會造成其中部分聲音的消失。就比如說聲音在處理時，程序運行到某個部分，由于程序

18、出錯沒有讀取語音文件或者在存儲語音文件時沒有存儲成功等等。這些不可避免的因素都會造成聲音的失真。(3) 聲音處理效率缺陷聲音的處理效率，是聲音處理領域上要解決的一大難題。聲音的變換處理從聲音的輸入，經過聲音的處理到再輸出的這一整段過程中會花費至少好幾秒的時間，如果是聲音的實時轉換將會造成非常大的局限。聲音對于基頻和共振峰的處理，所花費的時長基本是一致的，能夠改變時長的是在聲音的壓縮和擴展方面。在聲音處理這里主要有兩個問題。首先，在聲音的單信道和雙信道的環(huán)境下處理聲音將會花費很長的時間。其次如果音頻文件越大，那處理的時長就會越長，處理的效率就會大大降低。根據實驗結果，在選擇音頻處理方式的時候，根

19、據時長選擇不同的處理方式。當音頻時間很短大概幾秒到幾十秒的時候，就能選擇單信道處理方式；如果音頻時間很長超過一分鐘，那就選擇雙信道處理方式。按這樣的劃分選擇相應的處理方式就會大大節(jié)省時間4。 1.2.3 本文主要研究的內容在本設計中，主要研究變聲器各個模塊的功能，弄清每個模塊的原理知識。我決定使用專門的變聲芯片來實現(xiàn)語音的變換功能。了解芯片的設計范疇，及其中每個部分所能起到的作用。設計要用到的變聲芯片WIN8072是一種具有變音效果的集成電路 ,其中內置存儲器的設計，可以直接對語音信號進行儲存。還有內置音頻編碼器的設計，可以隨意轉換說話人的語速，可以把人的語速轉換成正常和非正常的速率。即它是把

20、說話人的正常聲音通過采樣頻率的不同，把用語音信號轉變過來的數(shù)字信號進行變化，輸出不同的聲音。變音芯片通過內置聲音放大器來稍微擴大音量，而且設計擁有減少噪音的功能來降低電路中產生的噪音。最后設計出電路，制作PCB板，進行焊接做出變聲器硬件電路，運用變聲器實現(xiàn)變聲效果。第2章 變聲器的原理介紹2.1變聲的基本原理語音科學家們通過研究總結把人類的發(fā)聲過程比作一個由肺部呼出的氣體經過以喉部、嘴巴、鼻子組成的濾波器作用后生成。人類的語音可以分為有聲語音和無聲語音。有聲語音是氣流在經過肺部出來后，通過喉部，經過聲帶的震動，同時鼻腔提供共鳴腔，經過調制后發(fā)出不同的聲音。這就是人類發(fā)聲的基礎，其中聲帶的震動頻

21、率稱之為基頻。無聲語音是指聲帶不發(fā)生震動，并沒有發(fā)出聲音。通常人說話的基頻跟人的性別有著很大的關系，通過下面的表2.1我們就可以看出。還有決定人說話的另外一個重要參數(shù)就是共振峰頻率的分布。從表中我們可以看出男性的共振峰頻率最低，然后是女性，分布較高的是兒童。共振峰頻率是由聲道的長短所決定的，聲道越短，共振峰頻率卻越高5。表2. 1 男聲、女聲和童聲基頻、共振峰頻率關系表人群基頻分布Hz共振峰頻率分布男聲50, 180偏低女聲160, 380中童聲400, 1000偏高由上表可知，在進行語音性別轉換的時候，主要改變的兩個參數(shù)是基頻和共振峰頻率。這兩者之間是相互變換的，當基頻發(fā)生變化時共振峰頻率也

22、隨之改變。當基頻變大，同時也增加共振峰頻率，男生的聲音就可以變成女生的聲音，女生的聲音就可以變成兒童的聲音。反過來，如果基頻減小，共振峰頻率也同時減小，這樣兒童的聲音就可以轉變成女人的聲音，女人的聲音就可以轉變成男人的聲音。但是為了能夠得到良好的變聲效果，就必須把基頻和共振峰頻率分開各自來變換如圖2.1中所示。當把基頻和共振峰頻率分開變化的時候，就要保證兩者之間互不相關。共振峰頻率變化的時候，是通過重采樣來實現(xiàn)的?？墒俏覀兺ㄟ^了解重采樣就可以知道重采樣會使聲音的基頻發(fā)生改變。所以使基頻發(fā)生改變的時候就必須消除重采樣帶來的影響，在理論方面只要能夠準確的改變基頻，就可以使基頻和共振峰頻率之間相互獨

23、立的變化。最后要介紹的是一個有名的算法叫基音同步疊接相加算法（PSOLA），這個算法主要是為了實現(xiàn)語速和語調的聯(lián)合改變。因為語速和語調的改變完全是相互獨立的兩個過程，它們的參數(shù)互不相同，而這個算法就能夠一塊實現(xiàn)變化。算法PSOLA是語音改變技術領域的重大突破，它既能夠實現(xiàn)語音的時長擴大和縮小，又能夠改變基頻，最后得到想要的聲音文件?；敉蒋B接相加算法的主要思想是在基頻周期級別精度上進行波形交疊拼接。音調改變是通過改變聲音的基頻周期，一部分一部分的處理改變的。音速的改變，是通過減少聲音的幀節(jié)來實現(xiàn)壓縮，通過復制幀節(jié)來實現(xiàn)聲音的擴展6。圖2.1 基頻和共振峰頻率分布的變化2.2 變聲器的基本原理

24、變聲器的基本原理，就是通過改變輸入聲音的基本頻率，以此來改變聲音的音色和音調，使輸出的聲音與原來的聲音聽起來不一樣。平時我們聽到的每個人的聲音在感官上都不一樣，這就是因為聲音的音色和音調不一樣。比如我們日常生活中經常聽到的男高音、女高音，就是指聲音的音調。關于音色的不同，就是指我們能區(qū)分開不同人的聲音，再通俗點就像區(qū)分不同種樂器的聲音。變聲器就是借助對聲音的音色和音調進行改變，實現(xiàn)變聲的功能。也就是把基頻和共振峰一起改變。當把基頻和共振峰頻率分開變化的時候，就要保證兩者之間互不相關。共振峰頻率變化的時候，是通過重采樣來實現(xiàn)的?？墒俏覀兺ㄟ^了解重采樣就可以知道重采樣會使聲音的基頻發(fā)生改變。所以使

25、基頻發(fā)生改變的時候就必須消除重采樣帶來的影響，在理論方面只要能夠準確的改變基頻，就可以使基頻和共振峰頻率之間相互獨立的變化7。聲音經過重采樣之后，聲音信號的樣本數(shù)目就會改變。如果按原來的采樣頻率播放，播放出來的聲音就會與原來相比變快或變慢。這樣聽起來聲音的語速會與原來有很大的不同，為了使聲音的語速與原來聽起來一樣就必須要進行變速處理，這說的就是聲音的變速不變調8。2.3 變聲器的類別和功能變聲器可以分為軟件變聲器和硬件變聲器，其變聲原理都一樣。通常我們大多數(shù)時候接觸到的都是軟件變聲器，比如會說話的湯姆貓。通過硬件實現(xiàn)變聲的機器就是硬件變聲器。軟件變聲器都是通過編寫程序進行變聲。兩者之間如果要處

26、理專業(yè)的語音用到更多的是硬件變聲器，因為硬件變聲的處理效果比軟件要好。軟件變聲器在娛樂方面應用的比較多。變聲器根據功能的分類可分為以下幾類:(1) 不限制格式錄音: 不限格式錄音是指對能夠對聲音的各種來源進行無限制的錄制，并且能夠選擇性的對需要的聲音進行錄制。錄制的過程中并不需要進行聲音的緩存，這樣就可以大大減少內存的占用。錄制能夠直接進行聲音的轉換，實現(xiàn)變聲的效果。最終生成的聲音文件在各種格式下都能夠使用。(2) 對聲音進行多種附加處理: 原本變聲系統(tǒng)的主要功能是為了實現(xiàn)聲音的變換，那就是對聲音進行最基本的變速和變調的處理。可有些系統(tǒng)不光擁有這些處理功能，而且能夠附加許多額外的聲音效果，這樣

27、一來聲音附加額外的特效就能輸出比較完美的音色。 (3) 聲音文件的編輯: 能夠對聲音文件進行截取功能，只選擇其中的一段進行存儲。能夠改變原來聲音的音量大小，能夠加強或減弱聲音的開始和結束。最后能夠使聲音文件保存為像MP3等各種各樣的格式9。第3章 變聲器各部分功能模塊3.1 語音信號的采集本設計中對于語音信號的采集使用的是駐極體話筒，俗稱咪頭。它的外觀如圖3.1所示。駐極體話筒的價格便宜、聲音讀入性能良好、結構十分簡單，體積就像硬幣大小一樣攜帶特別方便。由于它價格便宜、效果良好的特點，能夠被非常廣泛的應用在小收音機、實驗電路等各個場所。因為駐極體話筒的輸入和輸出的阻抗特別高，所以必須在話筒的外

28、殼內設置場效應管作為阻抗轉換器。這樣就造成駐極體話筒的工作必須在直流電壓下進行。3.1.1 駐極體話筒的構造及原理駐極體麥克風的工作原理是通過聲音的傳播引發(fā)空氣的震動，進而引起麥克風中振動膜的震動。振動膜是一片非常薄的塑料薄片，上面粘貼著極薄的純金薄膜。振動膜與下面的金屬片形成一個電阻。發(fā)生振動時就會造成上面振動膜與下面金屬片的距離發(fā)生改變，電容的大小隨著距離的改變而變化，形成了交變電壓。因為電容非常小，這樣就會造成輸出阻抗特別高。輸出阻抗較高就不能與外接的音頻放大器匹配，所以它的結構中還得再接一個三極管來進行對阻抗的變換。圖 3.1 駐極體話筒實物圖駐極體話筒的基本結構是由駐極體薄膜和有小孔

29、的金屬板組成的。駐極體與金屬板相對，兩者之間有個非常小的空氣縫隙?？諝饪p隙、駐極體組成了絕緣介質，而金屬層和有小孔的金屬板就是兩個電極。兩個電極和絕緣介質組成了電容。聲音的震動會使駐極體薄膜振動，使得空氣縫隙發(fā)生改變，最終導致電容發(fā)生改變。運用公式Q =CU，C發(fā)生改變，而總的電荷量Q沒有改變，電壓U發(fā)生改變。這就實現(xiàn)了聲音信號與電信號的轉變。系統(tǒng)中電容的量非常小，輸出的電信號非常微弱，最終導致系統(tǒng)的輸出阻抗特別的大。在這種情況下，咪頭就不能與外部的音頻功率放大電路相連接。如果接一個阻抗變換器，系統(tǒng)就能正常工作。阻抗變換器是由專門的場效應管和二極管組成的8。以下是駐極體麥克風的各個部分的詳細介

30、紹：防塵網：它的主要作用就是防止灰塵對振膜的損壞，從而對咪頭起到很好的保護作用，除此之外還可以起到短時間的防水作用。外殼：作為整個咪頭的支柱部件，其它部件都封裝在外殼之中，作為傳聲器連接地端點，還可以起到將電磁屏蔽的作用。振膜：是一個將聲音信號轉換為電信號的主要零件，它是在一個很薄的金屬圓環(huán)上粘貼薄膜，這些薄膜被緊緊的粘在圓環(huán)上，可以在薄膜上充上電荷，因為金屬圓環(huán)和薄膜相互接觸的一邊還有一層相當薄的金屬層附在其上面，這樣就可以組成一個既可以振動也可以改變電容的一個電極板。墊片：為了保證電容兩極板之間始終保持一定的距離，所以需要在其之間留有一定的空隙，這樣就很容易的改變電容的容量，因為振動的薄膜

31、有一個比較寬闊的空間。背極板：作為電容的另一個電極，被連接到了場效應管的柵極上。 銅環(huán)：將極板與場效應管的柵極連接到一起，可以起到很好的支撐作用。腔體：將極板和極環(huán)集合在一起，從而可以有效的避免極板和極環(huán)與外殼之間發(fā)生短路。PCB組件：里面包含有場效應管、電容等器件，其他的器件也可以通過它實現(xiàn)位置的確定。PIN：它是將傳聲器和PCB有效連接的中間連接體，當一個物體具有這樣的引腳時，就可以和PCB焊接到一起了。3.1.2 駐極體話筒主要的參數(shù)指標(1) 工作電壓（UDS）。這是指駐極體麥克風在工作的時候，所需要兩端的直流電壓。直流電壓的大小沒有固定的數(shù)值，話筒的型號不一樣電壓也就不一樣。一般我們

32、經常遇到的話筒電壓值為1.5V、3V和4.5V這3種。(2) 工作電流（IDS）。這是指駐極體麥克風在工作的時候，所通過的直流電流，本質上就是麥克風內部場效應管的電流。直流電流的大小也沒有固定的數(shù)值，只有一個大概的范圍在0.1mA1mA之間。(3) 最大工作電壓（UMDS）。這是指駐極體麥克風內部場效應管所能承受的最大的直流電壓，如果超過這個電壓，電路就會損壞，而場效應管也會被擊穿。(4) 靈敏度。麥克風的靈敏度是指隨著聲音的改變然后麥克風能夠產生的音頻信號電壓的大小，通常這個大小有一定的范圍。 隨著麥克風靈敏度的提高，它所能夠輸出的音頻信號的幅度也就是越大。(5) 輸出阻抗。麥克風的輸出阻抗

33、是指麥克風在一定的輸入頻率下，輸出端所生成的交流阻抗。通過麥克風內部場效應管的阻抗變換，它的輸出阻抗一般都是會小于3K。(6) 固有噪聲。固有噪聲是指麥克風電路經常產生的噪聲電壓，這是不可避免的。如果麥克風的固有噪聲越大，那么電路工作時輸出的語音信號產生的噪聲就會越大。通常麥克風的固有噪聲都很小，一般都是微伏級電壓。(7) 指向性。指向性是指麥克風的靈敏度隨著聲波方向的改變而改變。麥克風的指向性總的來說可以分為三種，包括單向性、雙向性和全向性。單向性是指麥克風在正對著聲波時，靈敏度較高。雙向性是指麥克風在正面和反面對著麥克風的時候，靈敏度最高。同理，全向性是指麥克風對于四面八方的聲波靈敏度都是

34、一樣。3.2 模數(shù)轉換（A/D）和數(shù)模轉換（D/A）信息技術在現(xiàn)代社會生產生活甚至通信檢測等鄰域都得到了非常廣泛的應用，在實際應用中，為了提高信息系統(tǒng)的性能指標，信號的處理都是由計算機進行的，但是生活生產中的信息往往是一些模擬信號，是不能夠被計算機識別出來的，因此就需要將這些模擬信號轉換成計算機能處理識別的數(shù)字信號，這是就需要用到模數(shù)轉換器也就是A/D轉化器；計算機對信號處理完畢后，又需要將這些數(shù)字信號轉換成人們能夠執(zhí)行處理的模擬信號，這是就需要用到數(shù)模也就是D/A轉換器。A/D轉換器和D/A轉換器是信息系統(tǒng)的重要組成部分，模數(shù)轉換器（簡稱ADC或A/D轉換器）是把模擬信號轉換為數(shù)字信號，數(shù)模

35、轉換器（簡稱DAC或D/A轉換器）是把數(shù)字信號轉換為模擬信號。對于A/D轉換器和D/A轉換器，轉化速度和轉換精度是非常重要的技術指標，高的速度和精度能夠確保處理結果的正確性和快速性，節(jié)省處理時間。隨著信息技術的不斷發(fā)展，A/D和D/A轉換器的生產水平和生產工藝越來越高，技術指標也越來越先進10。3.2.1 模數(shù)轉換（A/D）模數(shù)轉換，亦稱為模擬數(shù)字轉換，是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉換成離散的數(shù)字量。例如，對圖像掃描后，形成象元列陣，把每個象元的亮度轉換成相應的數(shù)字表示，即經過模/數(shù)轉換后，構成數(shù)字圖像。通常有電子式的模/數(shù)轉換和機電式模/數(shù)轉換二種。在遙感中常用于圖

36、像的傳輸，存貯以及將圖像形式轉換成數(shù)字形式的處理。例如：圖像的數(shù)字化等。模數(shù)轉換的過程：模數(shù)轉換包括采樣、保持、量化和編碼四個過程。3.2.2 數(shù)模轉換（D/A）數(shù)模轉換器，又稱D/A轉換器，簡稱DAC，它是把數(shù)字量轉變成模擬的器件。D/A轉換器基本上由4個部分組成，即權電阻網絡、運算放大器、基準電源和模擬開關。模數(shù)轉換器中一般都要用到數(shù)模轉換器，模數(shù)轉換器即A/D轉換器，簡稱ADC，它是把連續(xù)的模擬信號轉變?yōu)殡x散的數(shù)字信號的器件11。D/A轉換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼網絡、求和電路及基準電壓幾部分組成。總之，各種技術和工藝的相互滲透，揚長避短，開發(fā)出適合各種應用場合，能滿足不同

37、需求的A/D轉換器，將是模擬/數(shù)字轉換技術的未來發(fā)展趨勢。高速、高精度、低功耗A/D轉換器將是今后數(shù)據轉換器發(fā)展的重點。3.3 SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器）SRAM，即靜態(tài)隨機存取存儲器。從它的名稱就可以知道是一種可以靜態(tài)存取功能的內存，并不需要通過刷新電路來保存數(shù)據。SRAM最大的特點就是不需要通過刷新電路來保存數(shù)據。而DRAM每次過一段時間都必須要刷新充電，以此來保證數(shù)據的存儲。所以SRAM的性能比較高，消耗的功率也比較少，同樣的它也有缺點。因為結構的原因占用的體積比較大，所以集成度比較低造成成本較大12。3.3.1 SRAM主要規(guī)格一種是置于CPU與主存之間的高速緩存，它有兩種規(guī)格：一

38、種是固定在主板上的高速緩存；另一種是插在卡槽上的COAST擴充用的高速緩存，另外在CMOS芯片1468l8的電路里，它的內部也有較小容量的128字節(jié)SRAM，存儲我們所設置的配置數(shù)據。3.3.2 SRAM基本特點和用途SRAM基本特點：(1) 優(yōu)點是工作速度特別快，不需要不斷地刷新電路所以效率高。大大節(jié)省了工作的時間。(2) 缺點是占用的體積比較大，不便宜，運行時消耗的功率相對來說較大，最重要的是在沒有電源的情況下不能夠保存系統(tǒng)的數(shù)據。一般它的使用地方都是系統(tǒng)重要部位，用來提高系統(tǒng)的工作效率。(3)使用SRAM的地方為CPU與主要存儲器之間進行的高速緩存。SRAM主要用途：SRAM一般主要用于

39、二級高速緩存。因為它存儲速度較快的性能，還有就是通過晶體管來存儲數(shù)據。3.3.3 SRAM結構原理SRAM，即靜態(tài)RAM。一般是由五個部分組成，包括存儲單元列陣、地址譯碼器、靈敏放大器、控制電路和緩沖電路。SRAM是由晶體管組成的，接通的時候是1，斷開的時候是0。當SRAM工作時，其內部的晶體管內部會不斷的刷新；當它停止工作的時候，信息不會被保存。它的優(yōu)點是工作速度特別快，缺點是要占用更大的空間。每個SRAM存儲單元是由四個左右的晶體管還有其他器件組成13。 3.4 電動式揚聲器在如今的電子市場上，運用最多的、最受大家歡迎的就是電動式揚聲器，又可以稱之為動圈式揚聲器。它是通過把電能轉換為聲能的

40、電子產品。電動式揚聲器的原理：其中主要用到的就是法拉第定律，當載體在通過電磁場時，會受到一個電場力的作用，這個力的大小與電流大小、導體長度、磁通密度成正比，力的方向與電流、磁場方向垂直。當電動式揚聲器工作時，輸入的是交變電流，音圈會做交變運動，帶動振動膜震動發(fā)出聲音。現(xiàn)在市面上比較流行的紙盆式揚聲器、錐形揚聲器就都是電動式揚聲器。揚聲器一般都是圓形，所以用揚聲器的最大直徑來表示揚聲器的尺寸。就比如我們通常所說的8英寸的揚聲器，就是指它的最大直徑是200mm14。3.4.1 電動式揚聲器結構錐形揚聲器就是現(xiàn)在使用最廣泛的揚聲器，也可以把它稱之為輻射式揚聲器，它通過呈圓錐形的錐盆來向空間傳遞聲波。

41、一個完整的錐形揚聲器可以由為下面三個系統(tǒng)組成：振動系統(tǒng)由錐盆、折環(huán)、定位支片、防塵罩和音圈組成。磁路系統(tǒng)由磁體、上導磁板、下導磁板、磁極心組成。輔助系統(tǒng)則由盆架、壓條、引出線和接線端片等組成。電動式揚聲器結構圖如3.2所示：圖3.2 電動式揚聲器結構圖3.4.2 電動式揚聲器各部分介紹揚聲器最重要的部分就是錐盆，它在很大程度上決定了揚聲器的效果。錐盆是一般為圓形或橢圓形的振膜，它的底部與音圈相接，當音圈振動時會帶動錐盆運動，造成周圍空氣發(fā)生改變。錐形揚聲器的錐盆面積設計的會比較大，所以當揚聲器工作時會產生較大的振動幅度。這會作用于周圍的空氣，而空氣會反作用于錐盆，使錐盆發(fā)生形變，使得錐盆自身的

42、剛性發(fā)生改變。錐盆的不同部分會出現(xiàn)相對運動，這種運動又被稱之為分割振動。當錐盆的振動頻率超過一定范圍，會造成錐盆本身的嚴重形變，會使聲音嚴重失真。錐盆的剛性是造成聲音失真的主要因素，所以一般選擇剛性較好的材料制作錐盆。制作錐盆的材料除了要有良好的剛性外，還應該有密度小、機械強度大等特點。定心支片也是影響揚聲器性能的元件。硬度是定心支片的主要特性，因為硬度會影響揚聲器的諧振頻率，會對揚聲器的品質造成影響。定心支片的外形為圓環(huán)形，外端粘在揚聲器盆架上，內層與音圈和錐盆相接。它的主要作用是固定音圈的位置，防止音圈在振動下發(fā)生移動，還能夠使防止灰塵的進入保持內部清潔。音圈是揚聲器的核心元件。它通常是由

43、漆包線纏繞在圓柱體上，然后再把兩頭的漆包線焊接在錐盆上。纏繞漆包線圓柱體一般是由散熱性比較好的材料做成，防止因為音圈散熱性不好發(fā)生燒壞。圓柱體的材料一般有鎂鋁合金、散熱性能好的高分子材料等。磁體的形狀是圓形，具有磁性并且硬度較大。它的作用主要是使揚聲器內部有一個穩(wěn)定的磁場。磁體的材料一般是鋇氧體磁體或鐵氧體磁體，具有重量輕、耐腐蝕、耐氧化等優(yōu)點，但最大的缺點就是容易破碎15。第4章 音頻功率放大器LM3864.1 LM386具體描述LM386是一種音頻集成功放的功率放大器。它的主要優(yōu)點是消耗功率較低、電源電壓范圍較大、聲音失真較小和外接元件少。因為這些優(yōu)點，所以LM386被廣泛使用在小收音機和

44、錄音機之中。LM386是由美國半導體公司生產的。它內部的電壓增益可以隨意改變，最大可到200。調整電壓增益的方法是通過在它的引腳1和8之間增加外接電容和電阻。但一般調整它的電壓增益為20，因為這樣可以使外接元件最少。當電源電壓為6V的時候，LM386消耗的功率只有24mW。所以它的工作電壓最適合的是低電壓環(huán)境，也就是電池供電場所16。LM386的封裝是使用塑料封裝，有八個引腳。一般有直插式和貼片式兩種。4.2 LM386的特點LM386有如下幾個特點：(1) 消耗功率比較低，一般為4mA。(2) 工作電壓范圍為4V到12V。(3) 外圍元件少。(4) 電壓增益可調，20-200。(5) 失真度

45、比較低。LM386典型的應用電路有以下四種：圖4.1 放大器增益等于20的電路 圖4.2 放大器增益等于200的電路圖4.3 放大器增益等于50的電路 圖4.4 低頻提升放大器的電路 4.3 LM386詳細介紹4.3.1 LM386內部電路LM386內部電路原理圖如圖4.5所示，它是相當于一個三級放大電路。圖4.5 LM386的內部電路原理圖第一級為差分放大電路，T1和T3、T2和T4分別構成復合管，作為差分放大電路的放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T1和T2的有源負載；T3和T4信號從管的基極輸入，從T2管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。使用鏡像電流源作為差分放大電路有源負載，

46、可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電容的增益17。第二級為共射放大電路，T7為放大管，恒流源作有源負載，以增大放大倍數(shù)。 第三級中的T8和T9管復合成PNP型管，與NPN型管T10構成準互補輸出級。二極管D1和D2為輸出級提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。引腳2為反相輸入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端（引腳5）應外接輸出電容后再接負載。電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極，形成反饋通路，并與R5和R6構成反饋網絡，從而引入了深度電壓串聯(lián)負反饋，使整個電路具有穩(wěn)定的電壓增益18。4.3.1 LM 386的引腳特點LM386的引腳特點主要有以下幾個：(1)

47、通常芯片在1腳和8腳之間接電容來改變電壓增益，當不接的時候電壓增益就是20dB。一般所需要的電壓增益都不大，就可以不使用電容。這樣不光能減少成本，而且最后聲音效果好。(2) 在設計線路的時候，把元件放在靠近LM386的地方，這樣可以節(jié)省空間與焊板。在走線的時候線路要平行，這樣走線看起來美觀而且不容易出錯。 (3) 使用的滑動變阻器大小為10K，作用是改變音量的大小。選擇質量較好的變阻器，就可以能夠比較精密的改變音量大小。(4) 最好能使用雙音頻輸入和輸出，這樣可以很好的減少共模信號。能夠極大地減少共模產生的噪聲。(5) 引腳7必須接一個電容。在焊接電路的時候，可以在引腳7連接一個電解電容，電解

48、電容另一端接地。這樣的做法可以減少噪聲。工作時，這個管腳的電壓只有電源電壓的一半。增大電解電容的值，就可以減緩直流電壓的變化，有效遏止噪聲的產生。所以引腳7必須要接電容19。 第5章 基于WIN8072的變聲系統(tǒng)設計5.1 變音ICWIN8072的具體描述WIN8072是一種具有變音效果的集成電路 ,其中內置靜態(tài)存儲器的設計，可以直接對語音信號進行儲存。內置音頻編碼器的設計，可以隨意轉換說話人的語速，可以把人的語速轉換成正常和非正常的速率。主要核心是把說話人的正常聲音通過采樣頻率的不同，把用語音信號轉變過來的數(shù)字信號進行變化，輸出不同的聲音。其芯片內部通過內置聲音放大器來稍微擴大音量，而且設計

49、擁有減少噪音的功能來降低電路中產生的噪聲20。5.2 WIN8072特征(1) 工作電壓為 3.0V5.0V。(2) 能耗低。(3) 有幾個聲音效果可以供選擇：可轉換成高音或低音。可變成各種人聲：男聲、女聲、小孩聲、老人聲。可變成機器人聲。(4) 可以選擇用電阻和滑動開關調節(jié)聲音頻率。(5) 不需要外部存儲器。(6) 有減少甚至消除環(huán)境噪音的功能。(7) 可用在玩具、面具、石膏人、電話系統(tǒng)等其它領域。5.2.1 電氣特征WIN8072的電氣特征如表5.1所示：表5.1 WIN8072的電氣特征參數(shù)符號最小值標準最大值工作電壓VDD3.0V4.5V5.0V工作電流IDD-10mA訊號輸入電壓振幅

50、VINp-p0.5V1.5V2.0V訊號輸出電壓VOUTp-p-1.6V-5.2.2 腳位描述(1) WOSCI : 取樣寫入振蕩輸入腳位。(2) WOSCO: 取樣寫入振蕩輸出腳位。 (3) S1 ,S2: 選擇單音輸出的頻率腳位，輸入頻率1KHZ。當S1和S2開關組合變化時，會產生不同的輸出頻率如表5.2所示：表5.2 開關S1和S2組合變化輸出頻率S10011S20101輸出頻率800HZ1333HZ660HZ2KHZ(4) SEL：當SEL腳位接到電源的負端，聲音可被可變電阻調整。(5) NRL：當NRL腳位接到負端時，輸入的聲音可被改變；當NRL不接時，可把原音輸出。(6) ROB：

51、當ROB腳位被接到電源負端，會有機器人的效果。(7) ROSCI：取樣讀取振蕩輸入腳位。(8) ROSCO：取樣讀取振蕩輸出腳位。(9) DAT：功能測試輸入腳位。(10) VDD：電源正極接腳。(11) AVDD：類比電路正電源接腳。(12) IN：聲音訊號輸入腳位。(13) AVSS：類比電路負電源接腳。(14) VSS：電源負極接腳。(15) RDOUT：聲音訊號輸出腳位。5.2.3 典型的應用電路(1) WIN8072 搭配晶體管放大電路 (VCC=9V)。(2) WIN8072 搭配晶體管放大電路 (VCC=4.5V)。(3) WIN8072 搭配 LM386 放大電路 (VCC=4

52、.5V)。5.3 變聲器硬件的實現(xiàn)本設計變聲器的實現(xiàn)就是通過芯片WIN8072搭配音頻功率放大器LM386來實現(xiàn)。WIN8072內部有芯片內部有自帶的AD、DA轉換、隨機存儲和聲音頻率改變功能。使用駐極體麥克風對語音信號進行采集，利用WIN8072對語音信號進行模數(shù)轉換，使聲音頻率發(fā)生改變， 在芯片內部會使用隨即存儲器對語音信號進行儲存。然后又進行數(shù)模轉換使信號輸出。將改變的信號搭配使用LM386的音頻功率放大電路，對語音信號進行放大處理，最終通過電動式揚聲器輸出變聲后的聲音。變聲器硬件設計總流程圖如圖5.1所示。改變引腳輸出不同WIN8072語音信號頻率改變麥克風采集聲音信號WIN8072A

53、/D轉換，輸入信號WIN8072D/A轉換輸出信號LM386 功率放大音頻電動式揚聲器輸出圖5.1 變聲器硬件設計總流程圖在完成設計的理論總結整理后，列出實現(xiàn)電路所需要的各種元器件及元器件的參數(shù)。在制作電路的軟件上畫出電路圖，電路圖如圖5.2所示。實物的完成還需要進行最后一步焊接，而焊接也有許多需要注意的方面21。(1) 焊前處理 在焊接開始前，要對電子元器件的引腳和電路板的焊接部位進行焊前處理。 焊接位置氧化層的清除要先去除金屬引線表面的氧化層，可以用小刀去刮或者砂紙打磨，使引線接觸部分具有金屬光澤。而電路板也需要處理，用砂紙打磨銅箔，使其發(fā)亮，再涂上一層松香。 元件鍍錫連線在除去表面的氧化

54、層以后還需要經過鍍錫，鍍錫的方法是在表面弄一層松香，用帶錫的電烙鐵壓住連線，然后轉動引線就能在引線表面鍍一層錫。在進行焊接前之前，先將引線的絕緣皮剝去，然后經過上面的處理，才可以開始焊接。如果導線是多股金屬絲，需要先打光然后擰在一起去鍍錫。(2) 焊接做好焊前準備工作之后，就可正式開始焊接了。圖5.2 基于WIN8072芯片的變聲器總設計電路圖 焊接方法：焊接，檢查，剪短22。a.左手用鑷子夾持元器件，右手拿電烙鐵。電烙鐵在焊接之前要提前預熱5分鐘左右，然后在烙鐵頭上鍍上一層錫。b.把電烙鐵頭放在焊點處，而且使電烙鐵與水平方向呈45度角，這樣就可以使焊接更加容易，一般2、3秒的時間就可以焊好。

55、c.移開烙鐵頭。左手還是用鑷子夾持元件，直到焊點上的焊錫冷卻凝固后，再松開左手。d.左手拿鑷子轉動引線，看是否牢靠，再用偏口鉗剪去多余的引線。 焊接質量在焊接的過程中，每個焊點要有良好的接觸，焊點的接觸要牢固。焊接成功的焊點應該是錫點光亮，平滑沒有毛刺，錫的量也不多不少。焊接時最容易發(fā)生的就是虛焊和假焊。虛焊是指就沒有焊接住，主要原因是焊接時用錫太少。假焊是指表面看上去焊住了，實際上里面并沒有接觸到。虛焊和假焊會使后面的調試和檢查非常困難，因此必須在焊接時要認真仔細，確保沒有虛焊和假焊。在焊接電路板時，必須要控制好時間的長短。時間過長會造成電路板被燒焦或者會使焊點脫落。而在從電路板上拆電子元件時，將電烙鐵頭與焊點緊貼直到焊點上焊錫熔化時，再將元件拔出。使用的是根據PCB電路圖生成好的電路板，所以只用焊接元件不用另外布線，減輕了焊接