數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)(設(shè)計(jì))

1、. . . . 摘 要語音信號(hào)處理屬于信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，大規(guī)模集成技術(shù)的高度發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速前進(jìn)，推動(dòng)了這一技術(shù)的發(fā)展。在數(shù)字音頻技術(shù)和多媒體技術(shù)迅速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的磁帶語音錄放系統(tǒng)因體積大、使用不便、放音不清晰而受到了巨大挑戰(zhàn)。本組提出的體積小巧，功耗低的數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)，可以有效的解決傳統(tǒng)的語音錄放系統(tǒng)在電子與信息處理的使用中受到的限制。本文提出了以SST89E554RC芯片為核心的單片機(jī)小系統(tǒng)，用它來實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的邏輯控制。單片機(jī)將通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送入外部存儲(chǔ)器中，在回放時(shí)，單片機(jī)再從存儲(chǔ)器中讀出，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換成模擬

2、信號(hào)輸出。系統(tǒng)采用了鍵盤選擇壓縮方式，在字符型顯示器上顯示，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語音存儲(chǔ)與回放，性能穩(wěn)定，并且界面友好。多次的測試實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)基本滿足設(shè)計(jì)要求。文中重點(diǎn)討論了小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程、硬件流程和軟件的調(diào)試問題，研究了采用DPCM編碼方式以解決因存儲(chǔ)空間不夠而引起的存儲(chǔ)時(shí)間不夠的問題。關(guān)鍵詞 單片機(jī)小系統(tǒng),模/數(shù)轉(zhuǎn)換,數(shù)/模轉(zhuǎn)換,程序運(yùn)行中編程,差值編碼AbstractThe speech signal processing belongs to an important branch of information science, large-scale integration techn

3、ology development and the height of the rapid progress in the computer technology, promote the development of this technology. In digital audio technology and multimedia technology rapid development, the traditional tape voice recording system for large size, use inconvenience, playback not clear an

4、d a huge challenge. Group of small size, low power consumption of digital voice storage and playback system, can effectively solve the traditional voice recording system in electronic and information processing in the use of the limit.In SST89E554RC chip is proposed in this paper is the core of sing

5、lechip processor system, using it to make the digital voice storage and playback system logic control. Adc chip will be through the A/D conversion of digital signals into the external memory chip in A replay, and again from memory to read, dac D/A converted into analog signal output. System USES a k

6、eyboard, choose compression in the character screen display, and can realize real-time speech storage and playback, stable performance, and friendly interface. Many of the test experiments show that this system basically meet the design requirements.In this paper, the design process of small system,

7、 hardware and software of debugging process, research using DPCM coding method to solve the lack of storage space for storage time enough to cause problems.Key Words Singlechip processor system ,A/D conversion,D/A transformation,In Application Programming,Differential Pulse Code Modulation.37 / 42目

8、錄摘 要IAbstractII目錄III1 引言11.1 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求11.2 系統(tǒng)方案論證12 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)32.1語音前置放大器設(shè)計(jì)32.1.1 語音輸入32.1.2 雙話筒語音輸入級(jí)電路32.1.3 中間放大級(jí)電路52.1.4 采用儀表放大器電路作為雙話筒語音輸入放大電路72.1.5 話筒的安裝方法82.2 帶通濾波器電路設(shè)計(jì)82.2.1 低通濾波器82.2.2 高通濾波器112.3 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)152.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)152.3.2 單片機(jī)和D/A轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)183 總體電路設(shè)計(jì)223.1 幅頻特性校正電路設(shè)計(jì)223

9、.2 音頻放大器和自動(dòng)增益控制電路（AGC）電路設(shè)計(jì)233.3 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)方框圖254 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)264.1 單片機(jī)程序流程圖264.2 初始化子函數(shù)設(shè)計(jì)294.3 產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)子函數(shù)294.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主函數(shù)30結(jié)論34致35參考文獻(xiàn)36附錄371 引言目前，隨著數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)的不斷提高，單片機(jī),數(shù)字信號(hào)處理器以與語音處理大規(guī)模集成電路的進(jìn)步，語音合成,語音識(shí)別,語音存儲(chǔ)和回放技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，盡管現(xiàn)在各種語言合成芯片,語音處理應(yīng)用電路有許多，但都需要增加硬件投資，在一些由單片機(jī)構(gòu)成的測控系統(tǒng)中，由于單片機(jī)接口有限，還需要擴(kuò)寬硬件接口線路，本文介紹

10、的語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)中，沒有使用專用的語音處理芯片，不需擴(kuò)寬接口電路，只利用一般的單片機(jī)測控系統(tǒng)中都有的硬件電路（如A/D、 D/A、,存儲(chǔ)器等）就能完成語音信號(hào)的數(shù)字化處理，即能完成語音的存儲(chǔ)與回放，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)測控系統(tǒng)的語音提示報(bào)警與語音提示操作。因此特別適用于單片機(jī)測控系統(tǒng)，為單片機(jī)測控系統(tǒng)的語音報(bào)警與語音提示操作在幾乎不需增加硬件投資情況下的語音處理提供了一種思路。傳統(tǒng)的磁帶語音錄放系統(tǒng)因其體積大、使用不便,在電子與信息處理的使用中受到許多限制。本文提出的體積小巧,功耗低的數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)將完全可以替代它。數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的基本原理是對(duì)語音的錄音與放音的數(shù)字控制。其中,關(guān)

11、鍵技術(shù)在于:為了增加語音存儲(chǔ)時(shí)間,提高存儲(chǔ)器的利用率,采用了非失真壓縮算法對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行壓縮后再存儲(chǔ),而在回放時(shí)再進(jìn)行解壓縮;同時(shí),對(duì)輸入語音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波以抑制雜音和干擾,從而確保了語音回放的可靠質(zhì)量1.1數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)，其示意圖如圖1.1所示拾音器放大器1帶通濾波器ADC微處理器存儲(chǔ)器DAC耳機(jī)放大器2帶通濾波器圖1.1數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)示意圖1.2 系統(tǒng)方案論證方案一: 語音編碼方案：人耳能聽到的聲音是一種頻率圍為20 Hz20000 Hz ,而一般語音頻率最高為3400Hz。語音的采集是指語音聲波信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)和高頻放大器轉(zhuǎn)

12、換成有一定幅度的模擬量電信號(hào),然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的全過程。根據(jù)“奈奎斯特采樣定理”,采樣頻率必須大于模擬信號(hào)最高頻率的兩倍， 由于語音信號(hào)頻率為3003 400 Hz ,所以把語音采集的采樣頻率定為8 kHz。從語音的存儲(chǔ)與壓縮率來考慮，模型參數(shù)表示法明顯優(yōu)于信號(hào)波形表示法4。但要將之運(yùn)用于單片機(jī)，顯然信號(hào)波形表示法相對(duì)簡單易實(shí)現(xiàn)?；谶@種思路的算法，除了傳統(tǒng)的一些脈沖編碼調(diào)制外，目前已使用的有VQ技術(shù)與一些變換編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是算法復(fù)雜，目前的單片機(jī)速度底，難以實(shí)現(xiàn)。方案二: 所設(shè)計(jì)的數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)方框圖如圖1.2所示。系統(tǒng)由語音輸入、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、微控制器系統(tǒng)、D/A

13、轉(zhuǎn)換、語音播放系統(tǒng)等電路組成。本設(shè)計(jì)采用的是方案二。前置放大電路·帶通濾波器²¨取樣/采樣電路末級(jí)放大器高頻校正´帶通濾波器A/律擴(kuò)張電路微控制器鎖存器´存儲(chǔ)器A/DS/HAGCD/AP1P2P3X/sinXX=f/fs自動(dòng)增益控制A/律壓縮電路圖1.2 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)方框圖2 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1語音前置放大器設(shè)計(jì)2.1.1 語音輸入語音輸入采用駐極體電容話筒（簡稱ECM）。駐極體電容話筒是一種體積小、頻帶寬、噪音小和靈敏度高的話音傳感器。其部結(jié)構(gòu)和連接形式如圖2.1所示。駐極體電容話筒的主要技術(shù)參數(shù)有：靈敏度典型

14、值為-66-56dB或515mV/Pa;頻率響應(yīng)典型值為50Hz12kHz;輸出阻抗典型值不大于2k；工作電壓DC為1.512V。2.1.2 雙話筒語音輸入級(jí)電路為抵消語音輸入背景噪聲，可采用兩個(gè)特性一樣的駐極體電容話筒，將它們在空間上背對(duì)背安放，并在電氣上通過適當(dāng)?shù)倪B接，使其輸出信號(hào)幅度相等、相位相反地疊加起來，就能將兩個(gè)話筒在所處環(huán)境下拾入的背景噪聲抵消掉；由于說話人只對(duì)準(zhǔn)其中一個(gè)話筒講話，因此有用的語音信號(hào)并不會(huì)被抵消掉。圖2.2為雙話筒語音輸入級(jí)的電原理圖，運(yùn)算放大器采用了低噪聲高輸入阻抗的運(yùn)算放大器OP27/37。該輸入級(jí)的電壓增益由電阻R3和R4的比值決定，即A=1+R3/R4=1

15、+100/1100（40dB）在圖2.2中，ECM1采用源級(jí)（S）輸出方式接法，其輸出為同相信號(hào)；ECM2采用漏極D輸出方式接法，其輸出為反相信號(hào)。當(dāng)ECM1和ECM2同時(shí)拾到同源聲波時(shí)，他們就會(huì)輸出波形一樣而相位相反的兩個(gè)信號(hào)，起到了相互抵消的作用。調(diào)節(jié)電位器Rw可使輸出端的背景噪聲電壓為最小。OP27/37引腳端封裝形式和偏移調(diào)節(jié)電路如圖2.3所示。（a）外形結(jié)構(gòu)(b)部電路 DGS (c)接法1 DGS +(d)接法2圖2.1駐極體電容話筒部結(jié)構(gòu)和連接形式C47F+R2IC-+100F1KR4C2OP27+輸出100KR3+C4100F47F+5VC3+R1C1ECM1DSRw5.1KD

16、CSECM2R1=R1=200K圖2.2雙話筒語音輸入級(jí)電路2.1.3 中間放大級(jí)電路中間放大電路如圖2.3所示，最大增益為40dB,增益可通過電位器Rw進(jìn)行調(diào)節(jié)。元件R1和R2的參數(shù)應(yīng)滿足R2=（1100）R1關(guān)系。圖中運(yùn)算放大器采用NE5532N、NE5534等芯片12348765OP27OP37BALIN-IN+V-BALOUTV+N.C.(a)引腳端封裝形式+-41輸入23V-V+輸出6Rp10K87（b）偏移調(diào)節(jié)電路圖2.3OP27/37引腳段封裝形式和偏移調(diào)節(jié)電路R1R1/R2R1+15V-15VR1R1RwR1運(yùn)算放大器R1圖2.4中間放大級(jí)電路2.1.4 采用儀表放大器電路作為

17、雙話筒語音輸入放大電路如果設(shè)計(jì)者購買的是只有兩個(gè)外引腳駐極體話筒（其S與G引腳端在部已連接在一起），則可采用如圖2.5所示的儀表放大器電路作為雙話筒語音輸入放大電路。電壓輸出為Vout=(R3/R)(2R2/R1)+1 V。ECM1和ECM2都采用漏極D輸出方式接法，如圖2.6所示。¡÷V+-+-+-+-25KRR3+15VR2A1 LF355+15V23-15V416RR2R1R332+154-15100pF8Vout67A2 LF355A3 LM3084732-15V75圖2.5 儀表放大器電路作為雙話筒語音輸入放大電路+15VDS駐極體電容話筒1圖2.6 ECM采用漏

18、極D輸出方式2.1.5 話筒的安裝方法將ECM1和ECM2背對(duì)背分別安裝在同一圓柱形套筒上，話筒的兩背之間用隔音材料填充起來，用屏蔽線將輸出信號(hào)送到放大器的輸入端。使用時(shí)先調(diào)節(jié)電位器Rw使輸出噪聲達(dá)到最小，錄音時(shí)只要將ECM1和ECM2中任意一個(gè)對(duì)著說話人即可。2.2 帶通濾波器電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，帶通濾波器的同代圍為300Hz3.4kHz,上下截止頻率之比為3400/300=11.32，是一個(gè)寬帶濾波器，無法采用一般的帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)，但可采用低通濾波器級(jí)聯(lián)高通濾波器的方法來實(shí)現(xiàn)。2.2.1 低通濾波器從設(shè)計(jì)要求可知，低通濾波器的通帶（上限）頻率fc=3.4kHz,阻帶頻率fs/

19、2=4kHz,通帶的衰減不大于-3dB，阻帶的衰減不小于-40dB。通過查表或者使用相關(guān)的濾波器設(shè)計(jì)軟件可以計(jì)算出該低通濾波器的階數(shù)：巴特沃茲濾波器需要29階；切比雪夫?yàn)V波器需要10階；橢圓濾波器需要5階；貝塞爾濾波器大于20階。1) 采用專用濾波器芯片的低通濾波器電路1Hz10kHz,在阻帶頻率初可達(dá)-60dB的衰減，采用+5V電壓供電。MAX7403的引腳端封裝形式和應(yīng)用電路如圖2.7所示。通過改變連接到芯片的時(shí)鐘頻率，即可獲得所要求技術(shù)指標(biāo)的低通濾波器，濾波器時(shí)鐘信號(hào)CLK可采用自建始終或者是通過外部輸入時(shí)鐘。若采用外部始終，則fc=fclk/100;若采用部時(shí)鐘發(fā)生器，則連接到引腳端C

20、LK和GND之間的電容Cosc=K×10³/fosc。 12348765MAX7403COMINGNDVddCLKOSSHDNOUT(a) 引腳端封裝形式MAX7403INCLKOUTCOMSHDNOS輸出時(shí)鐘輸入0.1FVsupplyGNDVdd（b）應(yīng)用電路圖2.7 MAX7403引腳端封裝形式和應(yīng)用電路MAX7403濾波器的輸入阻抗為Zin=1000/0.85fclk(M)其中，fclk的單位為kHz。MAX7403具有較低的輸出阻抗，可驅(qū)動(dòng)1k與500pF并聯(lián)的負(fù)載阻抗。2) 采用運(yùn)算發(fā)達(dá)器構(gòu)成的低通濾波器電路一個(gè)采用運(yùn)算放大器構(gòu)成的5階橢圓低通濾波器電路如圖2.8

21、所示。由設(shè)計(jì)軟件分析結(jié)果可知：該濾波器第一級(jí)電路的截止頻率為819.86Hz，增益為1；第二級(jí)電路的品質(zhì)因數(shù)Q=16.82，fp=3.347kHz,fz=4.105Hz,增益為1.0093；第三級(jí)電路的品質(zhì)因數(shù)Q=2.75.fp=2.506kHz,fz=5.576kHz,增益為1.1286。圖中運(yùn)算放大器可采用NE5532N、NE5534等芯片。U188.24k2.2nF-20.90k2.42nF2.299k1.15nF89.36k833.3k120nF83.21k678nF9.922k15nF-Uo6.667k51.83k2.05nF2.299k9.922k圖2.8 5階橢圓低通濾波器電路2

22、.2.2 高通濾波器從設(shè)計(jì)要求可知，高通濾波器的通帶（起始）頻率fL=300Hz。為了抑制工頻干擾，可將阻帶頻率定為50Hz，通帶衰減不待遇-3dB,阻帶的衰減不小于-40dB。由于fL/502，可用下列方法估算出該高通濾波器的階數(shù)；由fL=2n ，解得倍頻程n=2.58，并計(jì)算出過渡帶一個(gè)倍頻程的衰減為-6dB,所以可計(jì)算得No=-15.47/-62.6階?？墒褂靡粋€(gè)3階的高通濾波器達(dá)到設(shè)計(jì)要求。1)采用專用濾波器芯片的高通濾波器電路高通濾波器可采用雙2階通用開關(guān)電容有源濾波器MAX260芯片，通過 單片機(jī)精確地控制MAX260濾波器的功能，實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、電阻與全通之類的各種濾波器。

23、MAX260可采用單電源（+5V）或者雙電源（±5V）供電。對(duì)于濾波器的編程，需要確定3個(gè)參數(shù)：模式MODE、中心頻率fo和品質(zhì)因數(shù)Q。MAX260的引腳端封裝形式與與單片機(jī)的接口電路如圖2.9。MAX260的模式選擇關(guān)系如表2.1所列，高通濾波器應(yīng)用選擇模式MODE3。123456789101112131415161718192021222324MAX260BPaN.C.HPaN.C.INaD1A3CLK OUTV+A2CLKaLPaINaLPaBPaD0GNDV-_WRA0HPaA1CLKb(a)引腳端封裝形式（b）與微控制器接口電路圖2.9 MAX260的引腳端封裝形式與與單片

24、機(jī)的接口電路表2.1 MAX260的濾波器模式選擇（2階濾波器形式）模式M1、M2濾波器功能fNHOLPHOBPHON1(f0)HON2(ffCLK/4 )其他10、0LP、BP、Nf0-1-Q -1-120、1LP、BP、Nf0-Q-0.5-131、0LP、BP、HPf0-QHOHP=1-Q+RG/RL+RG/RHHOHP=-141、1LP、BP、AP-2QHOAP=-1f2=f0,Q2=Q表中：fo為中心頻率：fN 為陷波頻率；HOLP 為在DC的低通增益；HOBP 為在fo帶通增益；HOAP為全通增益；fz，Qz為復(fù)合極對(duì)的f和Q。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的高通濾波器，需要使用2個(gè)中心頻率、品質(zhì)

25、因數(shù)等參數(shù)完全一樣的2階濾波器級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。為了使該開關(guān)電筒濾波器的響應(yīng)盡量接近連續(xù)型濾波器的響應(yīng)，比值fCLK/fo以與Q值應(yīng)盡量取大一些。由于采用了2個(gè)完全一樣的濾波器進(jìn)行級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高通濾波器，因此級(jí)聯(lián)之后帶寬會(huì)縮小。2個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)后，帶寬將縮小為原來的0.644，因此，應(yīng)將每一個(gè)濾波器的截止頻率fc預(yù)擴(kuò)為300Hz/0.644466Hz，通常比值fCLK/fo應(yīng)在150以上。當(dāng)取fCLK/fo=150,并取fCLK=75Hz時(shí)，可計(jì)算得fo的數(shù)值為500Hz根據(jù)MAX260的使用資料可計(jì)算和查找fo、Q、模式（MODE）的配置數(shù)據(jù)，在上電時(shí)通過單片機(jī)寫入芯片部的寄存器中去，實(shí)現(xiàn)滿足預(yù)定指標(biāo)

26、要求的高通濾波器。將MAX260濾波器A的高通輸出端(HP)連接濾波器B的輸入端，濾波器B的高通輸出端（HP）作為信號(hào)的輸出可實(shí)現(xiàn)一個(gè)4階高通濾波器，電路如2.11所示。圖2.11 MAX260實(shí)現(xiàn)的4階高通濾波器電路2) 采用運(yùn)算放大器構(gòu)成的高通濾波器電路一個(gè)采用運(yùn)算放大器構(gòu)成的3階Butterworth高通濾波器電路如圖2.12所示。由Multisim7仿真軟件的分析結(jié)果可知：該濾波器第一級(jí)電路的截止頻率為299.763Hz，增益為1；第二級(jí)電路的品質(zhì)因數(shù)Q=1，f=299.763Hz，增益為1，圖中運(yùn)算放大器可采用NE5532N、NE5534等芯片。圖2.12 3階Butterworth

27、高通濾波器電路2.3 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)2.3.1A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換器電路采用ADC0804（字長為8位，轉(zhuǎn)換速率為10kHz）芯片。ADC0804與單片機(jī)接口電路如圖2.13所示，時(shí)鐘頻率可通過選擇外接RC元件值將其設(shè)置為不小于800kHz(fCLK1/1.1RC，R10k)，也可采用外部時(shí)鐘。由于ADC0804完成一次摸/數(shù)轉(zhuǎn)換需要100s的時(shí)間，在此期間送到ADC0804輸入端的模擬信號(hào)樣本必須保持不變，否則會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差，因此在ADC0804之前還必須加上一級(jí)采樣/保持電路（S/H），可選用LF398集成S/H芯片。由LF398的技術(shù)參數(shù)表中得知，當(dāng)保持電容CH=

28、1000pF時(shí)，該器件的捕獲時(shí)間tAC=4s,孔徑不確定時(shí)間tAU=20ns。上述指標(biāo)完全可滿足語音信號(hào)（300Hz3.4kHz）處理要求。LF398的引腳端封裝形式和應(yīng)用電路如圖2.14所示。圖2.13 ADC0804引腳端封裝形式和與單片機(jī)接口電路（a） 引腳端封裝形式（b）應(yīng)用電路圖2.14 LF398的引腳端封裝形式和應(yīng)用電路2.3.2 單片機(jī)和D/A轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)1) 單片機(jī)電路單片機(jī)電路采用AT89S52單片機(jī)，AT89S52是一個(gè)低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)，含8KB可反復(fù)擦寫(大于1000次)ISP Flash ROM;256×8位部RAM;3個(gè)16位可編程定時(shí)

29、器/計(jì)數(shù)器；32個(gè)雙向I/O口；全雙工UART串行中斷口線；2個(gè)外部中斷源；3級(jí)加密位；雙線據(jù)寄存器指針；看門狗（WDT）電路；軟件設(shè)置空閑和省電功能，中斷喚醒省電模式；時(shí)鐘頻率為333MHz；工作電壓為4.55.5V。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)與80C51引腳結(jié)構(gòu)。2) D/A轉(zhuǎn)換器電路D/A轉(zhuǎn)換器電路可采用雙8位乘法數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD7258芯片，具有單獨(dú)的片數(shù)據(jù)鎖存器，數(shù)據(jù)通過公共輸入口傳送至兩個(gè)DAC數(shù)據(jù)鎖存器的任一個(gè)，控制輸入端DACA/DACB決定哪一個(gè)DAC被裝載，工作電源為515V功耗小于15mW。AD7528的引腳端封裝形

30、式有DIP/SOIC封裝，時(shí)序圖如圖2.15所示，應(yīng)用電路和與單片機(jī)的接口電路如圖2.18所示，輸入數(shù)據(jù)與輸出電壓關(guān)系如表2.2和2.3所列。圖2.15AD7528的時(shí)序圖注：1.所有的輸入信號(hào)上升和下降時(shí)間測量為VDD=+5V,tR=tF=20ns:VDD=+15V，tR=tF=40ns； 2.時(shí)間測量參考電平是（VIH+VIL）/2表2.2 單極性應(yīng)用電路輸入數(shù)據(jù)與輸出電壓關(guān)系DAC鎖存容MSB LSB模擬輸出（DAC A 或 DAC B）11111111-VIN(255/256)10000001-VIN（129/256）10000000-VIN(128/256)=-VIN /201111

31、111-VIN (127/256)00000001-VIN (1/256)00000000-VIN (0/256)表2.3 雙極性應(yīng)用電路輸入數(shù)據(jù)與輸出電壓關(guān)系DAC鎖存容MSB LSB模擬輸出（DAC A 或 DAC B）11111111+VIN(127/128)1000000110000000001111111-VIN (1/128)00000001-VIN (127/128)00000000-VIN (128/128) (a)單極性應(yīng)用電路(b)雙極性應(yīng)用電路(c)與單片機(jī)的接口電路圖2.18 AD7528應(yīng)用電路和與單片機(jī)的接口電路3 總體電路設(shè)計(jì)3.1 幅頻特性校正電路設(shè)計(jì)幅頻特性校

32、正電路采用一階RC網(wǎng)絡(luò)，電路如圖3.1所示，該一階RC網(wǎng)絡(luò)科補(bǔ)償因D/A恢復(fù)語音信號(hào)時(shí)引入的高頻分量的損失，對(duì)高頻分量稍作提升，實(shí)現(xiàn)近似校正。根據(jù)公式sin(f/fs)/（f/fs）計(jì)算可得，在采樣頻率為8kHz時(shí)，當(dāng)頻率為300Hz時(shí)衰減為0.02dB；在頻率為3.4kHz處衰減為-2.75dB。選擇適當(dāng)?shù)淖枞菰?，可近似滿足在3.4kHz處提升2.75dB要求，經(jīng)計(jì)算可得電阻R1=R2=1k，電容C為0.061F。圖3.1采用一階RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性校正電路3.2 音頻放大器和自動(dòng)增益控制電路（AGC）電路設(shè)計(jì)音頻放大器電路采用電壓放大和功率放大兩級(jí)組成。電壓放大級(jí)可采用2.4所示電路，功率

33、放大級(jí)可采用專用芯片TDA2040等芯片來實(shí)現(xiàn)。TDA2040應(yīng)用電路如圖3.2所示，該電路最大可提供22W的輸出功率。(a)應(yīng)用電路(雙電源供電)(b)應(yīng)用電路（單電源供電）圖3.2 TDA2040引腳端封裝形式和應(yīng)用電路AGC電路時(shí)利用場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，漏極電阻受到柵極電壓控制的特性來實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)電路由包括場效應(yīng)管在的壓控電壓增益放大器、整流濾波電路、直流放大器和比較器組成，實(shí)現(xiàn)增益的閉環(huán)控制。AGC電路如圖3.3所示。運(yùn)放A1構(gòu)成壓隨器，作為輸入級(jí)。運(yùn)放A2構(gòu)成反相放大器，其增益由場效應(yīng)管的源極和漏極之間的電阻決定。電阻R1、R2以與R3使得場效應(yīng)管的伏安特性呈線性化。輸出電壓u

34、op經(jīng)過整流器和濾波器形成控制電壓。當(dāng)uop發(fā)生變化時(shí)，控制電壓隨之發(fā)生變化，因此，場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻發(fā)生改變，放大器的放大倍數(shù)發(fā)生改變，音頻信號(hào)強(qiáng)時(shí)自動(dòng)減小放大倍數(shù)，信號(hào)弱時(shí)自動(dòng)增大放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)音量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。A/律壓擴(kuò)電路可采用專用的集成電路實(shí)現(xiàn)，競賽中由于工作量大、時(shí)間緊等關(guān)系，一般難以完成。這部分電路略。+-+-+-+-Uip1¦ÌF1MIC174115KR15.6KIC2100nF+6.3V4.7K4.7K4.7K4.7K4.7K47K4.7KIC3741D20A810A81IC4741Uop100K100K-15V39KVR110K增益調(diào)節(jié)0A81D1R4

35、22010K100KR5圖3.3 AGC電路3.3 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)方框圖所設(shè)計(jì)的數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)方框圖如圖3.4所示。系統(tǒng)由語音輸入、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、微控制器系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換、語音播放系統(tǒng)等電路組成。前置放大電路·帶通濾波器²¨取樣/采樣電路末級(jí)放大器高頻校正´帶通濾波器A/律擴(kuò)張電路微控制器鎖存器´存儲(chǔ)器A/DS/HAGCD/AP1P2P3X/sinXX=f/fs自動(dòng)增益控制A/律壓縮電路圖3.4 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)方框圖4 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)程序流程圖單片機(jī)程序主流程圖如4.1所示。錄

36、音字程序流程圖4.2所示；放音子程序流程圖如4.3所示。語音壓縮編碼方式種類比較多。增量調(diào)制（AM）和差分脈碼調(diào)制（DPCM）是兩種常用的語音壓縮編碼方式，分別可達(dá)到8倍和2倍的壓縮比。增量調(diào)制是一種實(shí)現(xiàn)簡單且壓縮比高的語音壓縮編碼方法，該方法只用一位碼記錄前后語音采樣值S（n）、S（n-1）的比較結(jié)果，若S（n）S（n-1），則編為“1”碼；反之，則為“0”碼。這種技術(shù)可將語音轉(zhuǎn)換的數(shù)碼率由64kbps降低至8kbps,存儲(chǔ)時(shí)間可加長至128s但噪聲大，信號(hào)失真明顯。本設(shè)計(jì)選用DPCM壓縮編碼方案。DPCM是一種比較成熟的壓縮編碼方法，可把數(shù)碼率由64kbps壓縮至32kbps，從而使語音存

37、儲(chǔ)時(shí)間增加一倍，達(dá)到32s，并且信噪比損失小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： -8 (S(n)-A(n-1)-8) e(n)= S(n)-A(n-1) (-8S（n）-A(n-1)7) 7 （S（n）-A(n-1)7）A(n)=A(n-1)+e(n) （4-1）其中；S（n）表示當(dāng)前采樣值；A（n）表示增量累加值；A(n-1)作為預(yù)測值；e（n）表示差分值。開機(jī)或按RESET鍵系統(tǒng)復(fù)位初始化：設(shè)置定時(shí)器工作方式、時(shí)間常數(shù)和中斷功能，停止定時(shí)器的工作，對(duì)開關(guān)電容濾波器編程，開鍵盤中斷.等待鍵盤中斷圖4.1 主程序流程圖錄音子程序入口判斷模式=0？讀ADC上次數(shù)據(jù)啟動(dòng)本次ADC轉(zhuǎn)換寫上次ADC數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器數(shù)碼

38、管計(jì)數(shù)顯示換頁（視需要）存儲(chǔ)器是否溢出停止定時(shí)器工作開鍵盤中斷返回返回等待定時(shí)器再次中斷YN讀ADC上次數(shù)據(jù)啟動(dòng)本次ADC轉(zhuǎn)換計(jì)算CV-PV，求出帶符號(hào)的差值寫入到緩沖器中緩沖器中一個(gè)字節(jié)準(zhǔn)備好？將緩沖器中的字寫入到存儲(chǔ)器當(dāng)中數(shù)碼管計(jì)數(shù)顯示換頁（視需要）存儲(chǔ)器是否溢出？NYNYNY圖4.2 錄音子程序流程圖放音子程序入口判斷模式=0？從RAM讀取語音數(shù)據(jù)送給D/A轉(zhuǎn)換器換頁（視需要）數(shù)碼管計(jì)數(shù)顯示放音是否結(jié)束停止定時(shí)器工作開鍵盤中斷返回返回等待定時(shí)器再次中斷YN從RAM讀取語音數(shù)據(jù)數(shù)碼管計(jì)數(shù)顯示寫入到緩沖器中緩沖器當(dāng)前數(shù)據(jù)處理完畢？由PV于DIFF計(jì)算出語音樣本的實(shí)際值送給D/A轉(zhuǎn)換器換頁（視

39、需要）放音是否溢出？NYNNY換頁（視需要）Y圖4.3 放音子程序流程圖4.2初始化子函數(shù)設(shè)計(jì)初始化子函數(shù)的主要工作是設(shè)置定時(shí)器的工作模式、初值預(yù)置、開中斷和打開定時(shí)器等。在這里，定時(shí)器T1工作于16位定時(shí)模式，單片機(jī)按定時(shí)時(shí)間重復(fù)地把波形數(shù)據(jù)送到DAC0832的寄存器。其程序流程圖如圖4.4所示：開 始T1置初值，設(shè)為16位定時(shí)模式T1中斷允許，開定時(shí)器，開總中斷返 回圖4.4初始化子函數(shù)程序流程圖4.3 產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)子函數(shù) 波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生函數(shù)是定時(shí)器T1的中斷程序。當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)益出時(shí)，發(fā)生一次中斷。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，單片機(jī)按次序?qū)⒉ㄐ螖?shù)據(jù)表中的波形數(shù)據(jù)一一送入DAC0832，DAC0832根據(jù)輸

40、入的數(shù)據(jù)大小輸出對(duì)應(yīng)電壓。波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子函數(shù)程序流程圖如圖4.5所示：圖4.5波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子函數(shù)程序流程圖4.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主函數(shù)主函數(shù)的任務(wù)是進(jìn)行上電初始化，并在程序運(yùn)行中不斷查詢按鍵情況執(zhí)行相應(yīng)的功能。以下是簡易低頻信號(hào)源發(fā)生器C51源程序清單：#include"reg51.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define key P3#define dataout P1uchar code sin_tab256=0x80,0x83,0x85,0x88,0x8A,0x8D,0x8F,0x92, 0x

41、94,0x97,0x99,0x9B,0x9E,0xA0,0xA3,0xA5,0xA7,0xAA,0xAC,0xAE,0xB1,0xB3,0xB5,0xB7,0xB9,0xBB,0xBD,0xBF,0xC1,0xC3,0xC5,0xC7,0xC9,0xCB,0xCC,0xCE,0xD0,0xD1,0xD3,0xD4,0xD6,0xD7,0xD8,0xDA,0xDB,0xDC,0xDD,0xDE,0xDF,0xE0,0xE1,0xE2,0xE3,0xE3,0xE4,0xE4,0xE5,0xE5,0xE6,0xE6,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0x

42、E6,0xE6,0xE5,0xE5,0xE4,0xE4,0xE3,0xE3,0xE2,0xE1,0xE0,0xDF,0xDE,0xDD,0xDC,0xDB,0xDA,0xD8,0xD7,0xD6,0xD4,0xD3,0xD1,0xD0,0xCE,0xCC,0xCB,0xC9,0xC7,0xC5,0xC3,0xC1,0xBF,0xBD,0xBB,0xB9,0xB7,0xB5,0xB3,0xB1,0xAE,0xAC,0xAA,0xA7,0xA5,0xA3,0xA0,0x9E,0x9B,0x99,0x97,0x94,0x92,0x8F,0x8D,0x8A,0x88,0x85,0x83,0x80,0x

43、7D,0x7B,0x78,0x76,0x73,0x71,0x6E,0x6C,0x69,0x67,0x65,0x62,0x60,0x5D,0x5B,0x59,0x56,0x54,0x52,0x4F,0x4D,0x4B,0x49,0x47,0x45,0x43,0x41,0x3F,0x3D,0x3B,0x39,0x37,0x35,0x34,0x32,0x30,0x2F,0x2D,0x2C,0x2A,0x29,0x28,0x26,0x25,0x24,0x23,0x22,0x21,0x20,0x1F,0x1E,0x1D,0x1D,0x1C,0x1C,0x1B,0x1B,0x1A,0x1A,0x1A,0x

44、19,0x19,0x19,0x19,0x19,0x19,0x19,0x19,0x1A,0x1A,0x1A,0x1B,0x1B,0x1C,0x1C,0x1D,0x1D,0x1E,0x1F,0x20,0x21,0x22,0x23,0x24,0x25,0x26,0x28,0x29,0x2A,0x2C,0x2D,0x2F,0x30,0x32,0x34,0x35,0x37,0x39,0x3B,0x3D,0x3F,0x41,0x43,0x45,0x47,0x49,0x4B,0x4D,0x4F,0x52,0x54,0x56,0x59,0x5B,0x5D,0x60,0x62,0x65,0x67,0x69,0x

45、6C,0x6E,0x71,0x73,0x76,0x78,0x7B,0x7D;uchar code thr_tab256= 0x80,0x81,0x82,0x83,0x84,0x85,0x86,0x87,0x88,0x89,0x8A,0x8B,0x8C,0x8D,0x8E,0x8F,0x90,0x91,0x92,0x93,0x94,0x95,0x96,0x97,0x98,0x99,0x9A,0x9B,0x9C,0x9D,0x9E,0x9F,0xA0,0xA1,0xA2,0xA3,0xA4,0xA5,0xA6,0xA7,0xA8,0xA9,0xAA,0xAB,0xAC,0xAD,0xAE,0xAF

46、,0xB0,0xB1,0xB2,0xB3,0xB4,0xB5,0xB6,0xB7,0xB8,0xB9,0xBA,0xBB,0xBC,0xBD,0xBE,0xBF,0xBF,0xBE,0xBD,0xBC,0xBB,0xBA,0xB9,0xB8,0xB7,0xB6,0xB5,0xB4,0xB3,0xB2,0xB1,0xB0,0xAF,0xAE,0xAD,0xAC,0xAB,0xAA,0xA9,0xA8,0xA7,0xA6,0xA5,0xA4,0xA3,0xA2,0xA1,0xA0,0x9F,0x9E,0x9D,0x9C,0x9B,0x9A,0x99,0x98,0x97,0x96,0x95,0x94

47、,0x93,0x92,0x91,0x90,0x8F,0x8E,0x8D,0x8C,0x8B,0x8A,0x89,0x88,0x87,0x86,0x85,0x84,0x83,0x82,0x81,0x80,0x7F,0x7E,0x7D,0x7C,0x7B,0x7A,0x79,0x78,0x77,0x76,0x75,0x74,0x73,0x72,0x71,0x70,0x6F,0x6E,0x6D,0x6C,0x6B,0x6A,0x69,0x68,0x67,0x66,0x65,0x64,0x63,0x62,0x61,0x60,0x5F,0x5E,0x5D,0x5C,0x5B,0x5A,0x59,0x58

48、,0x57,0x56,0x55,0x54,0x53,0x52,0x51,0x50,0x4F,0x4E,0x4D,0x4C,0x4B,0x4A,0x49,0x48,0x47,0x46,0x45,0x44,0x43,0x42,0x41,0x40,0x40,0x41,0x42,0x43,0x44,0x45,0x46,0x47,0x48,0x49,0x4A,0x4B,0x4C,0x4D,0x4E,0x4F,0x50,0x51,0x52,0x53,0x54,0x55,0x56,0x57,0x58,0x59,0x5A,0x5B,0x5C,0x5D,0x5E,0x5F,0x60,0x61,0x62,0x63

49、,0x64,0x65,0x66,0x67,0x68,0x69,0x6A,0x6B,0x6C,0x6D,0x6E,0x6F,0x70,0x71,0x72,0x73,0x74,0x75,0x76,0x77,0x78,0x79,0x7A,0x7B,0x7C,0x7D,0x7E,0x7F;uint data THHL=65535;uchar data keyword,n=0;bdata sinthr;sbit sin_thr=sinthr0;sbit ww=key7;keyscan()keyword=key&0x07;if(keyword!=0x07) while(key&0x07)!=0x07); switch(keyword) case 6:if(THHL>=65235)THHL=65535;elseTHHL=THHL+255;break; case 5:if(THHL<=500)THHL=0;elseTHHL=THHL-255;break; case 3:sin_thr=sin_thr;break; default:break; clearmen()key=0xff;dataout=0x00;THHL=65535;TH1=THHL/256;TL1=THHL%256;TMOD=0X11;ET1=1