數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的設計3

1、 重慶文理學院成人高等教育重慶文理學院成人高等教育畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 論文題目論文題目：數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的設計論文 朱純英指導老師：趙順洪 講師專業(yè)班級：電子信息科學與技術(shù) 2021 級學 號：31144500506提交論文日期：2010 年 11 月 10 日論文辯論日期：2010 年 11 月 20 日中 國 重 慶2021 年 11 月目目 錄錄摘要: .IABSTRACT .II1 引言.12 方案論證.1方案一 .1方案二 .13 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).14 單片機與轉(zhuǎn)換器.24.1 MCS51 系列單片機 .24.1.1 AT89C51 簡介 .24.2 D/A、A/D 轉(zhuǎn)換器

2、 .54.2.1 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 的介紹 .54.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574 介紹 .55 電路設計 .6拾音器 .6放大器的設計 .6有源帶通濾波器設計 .7可調(diào)穩(wěn)壓電源的設計 .85.5 單片機 AT89C51 和 AD574 的接口原理 .9存儲器的選取 .105.7 對數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的校正 .115.8 鍵盤的設定 .126 軟件設計.12結(jié) 語 .13參考文獻 .13致謝語 .13數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的設計數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的設計重慶工商學校電子信息科學與技術(shù) 2021 級本科班 朱純英摘要: :傳統(tǒng)的磁帶語音錄放系統(tǒng)因其體積大、使用不便,

3、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)字化語音存儲與回放系統(tǒng)將完全可以替代它。數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的根本原理是對語音的錄音與放音的數(shù)字化控制。其中，關(guān)鍵技術(shù)在于，為了增加語音存儲時間，提高存儲器的利用率，采用了非失真壓縮算法對語音信號進行壓縮后再存儲，而在回放時再進行解壓縮，同時,對輸入語音信號進行數(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。關(guān)鍵詞: :數(shù)字化存儲與回放；數(shù)字濾波；采樣；模/數(shù)轉(zhuǎn)換；校正 Digital pronunciation and playback system designChongqing industry and co

4、mmerce school electronic information science and technology level of 2021 this regular professional training Zhu ChunyingAbstract: Traditional tape record system because of heavy using inconvenient volume their, receive a lot of restrictions in the use of the electron and information processing. The

5、 volume that this text puts forward is small and exquisite，the digitized pronunciation of the low power dissipation can substitute it with the playback system to store. Digitized pronunciation store systematic basic principle recording and to put sound in pronunciation digital control with playback.

6、 Among them, key technology lies in : For increase pronunciation store time , raise utilization ratio of memory, adopt non-distorted to compress algorithm go on after compressing storing to pronunciation signal, decompress in the playback ; Meanwhile, to input pronunciation signal carry on figure st

7、rain wave by suppressing noising and interfering, thus guaranteed the reliable quality of the playback of the pronunciation.Keywords: Digital store ；Playback Digital Filter ；Sample ；A/D Convert ；Correct 1 1 引言引言本文闡述了數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的研究背景、現(xiàn)狀及開展方向，明確指出了傳統(tǒng)的語音存儲與回放系統(tǒng)的缺陷和面臨的問題，以及數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的優(yōu)點和開展前景。數(shù)字化語音存儲與

8、回放系統(tǒng)，以微處理芯片為核心，具有語音可控、 回放靈活、無磨損、可靠簡單等特點。因而在各類公共設施、智能儀表、家用電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有著廣泛的應用。該系統(tǒng)目前有多種方案可以實現(xiàn)，其中采集成語音芯片是一種較簡單通用的方案，但該方案智能性較差，如音量不能放大、錄音時間固定等。本系統(tǒng)采用另外一種方案，以 AT89C51 單片機為核心，設計了一套可靈活實現(xiàn)錄、放音，音量自動控制的新的語音存儲與回放系統(tǒng)。2 2 方案論證方案論證人耳能聽到的聲音是一種頻率范圍為 20 Hz20000 Hz ,而一般語音頻率最高為 3400 Hz。語音的采集是指語音聲波信號經(jīng)麥克風和高頻放大器轉(zhuǎn)換成有一定幅度的模擬量電信號然后

9、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最高頻率的兩倍，由于語音信號頻率為 3003 400 Hz ,所以把語音采集的采樣頻率定為 8 kHz。從語音的存儲與壓縮率來考慮，模型參數(shù)表示法明顯優(yōu)于信號波形表示法1。但要將之運用于單片機，顯然信號波形表示法相對簡單易實現(xiàn)。基于這種思路的算法，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)及一些變換編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)，但是算法復雜，目前的單片機速度底，難以實現(xiàn)。結(jié)合實際情況，提出以下兩種可實現(xiàn)方案。1短時平均跨零記數(shù)法 該方案通過確定信號跨零數(shù)，將語音信號編碼為數(shù)字信號，常用于語音識別中。但對于單片機，由于處

10、理數(shù)據(jù)能力低，該方法不易實現(xiàn)。2實時副值采樣法采樣過程如圖 1 所示。 圖圖 1 1 采樣過程采樣過程 具體實現(xiàn)包括直存取法、欠抽樣采樣法、自相似增量調(diào)制法等三種根本方法。其中第三種實現(xiàn)方法最具特色，該方法可使數(shù)據(jù)壓 1：4.5，既有調(diào)制的優(yōu)點，又同時兼有 PCM 編碼誤差較M小的優(yōu)點，編碼誤差不向后擴散。方案方案二二該方案以單片機 8031 為核心器件，8031 的典型時鐘為 6MHz 指令周期為可以在要求82s的 125采樣間隔執(zhí)行系統(tǒng)工作還可同時對 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字語音信號進行增量調(diào)制或sM差分脈碼調(diào)制2。和 DPCM 是兩種語音壓縮編碼技術(shù)，可分別將語音速率由 64kb/sDP

11、CMM壓縮到 8kb/s 和 32kb/s。另外，為加長錄音與回放時間，我們利用四片 622526 組成 RAM 陣列，借助 8031 的 P1 口參與地址選擇，采用分頁存儲模式，可將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲空間擴展至 128kB，以128kB 空間存儲 PCM 碼、和 DPCM 碼，語音回放時間可達 16s、32s 和 128s，到達題目要求。以M上兩種方案均有其可取和缺乏之處，考慮到其易行性、簡便性等多種因素決定采取第一種方案。3 3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的根本思想是通過拾音器將聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過放大器放大，然后通過帶通濾波器濾波，模擬語音信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D

12、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過單片機控制將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)放大再揚聲器或耳機上輸出。整個系統(tǒng)框架圖如圖 2 所示：采樣量化存儲圖圖 2 2 整體框圖整體框圖系統(tǒng)組成如下圖,由輸入通道、AT89C51 單片機和輸出通道三局部組成。輸入通道局部由拾音器、前置放大電路和帶通濾波器組成；輸出通道由帶通濾波器、后級放大電路組成。拾音器輸出的毫伏信號實測其范圍約為 2025mV，此電信號太小不能夠進行采樣，后級 A/D 轉(zhuǎn)換輸入信號的動態(tài)范圍為 05V，語音信號的范圍與采樣范圍的比擬得出放大器的放大倍數(shù)應為 200 倍左右，此處將信號通過增益為 46dB 的放大器，將其

13、放大到伏特量級，輸出級放大電路亦采用這種電路，兩級放大電路都采用增益可調(diào)的典型電路?？紤]到語音信號的固有特點，將低于 300Hz 和高于 3.4kHz 的分量濾掉后語音質(zhì)量仍然良好。此處將其通過增益為 46dB 的放大器，因此，將帶通濾波器設計為典型的 300Hz3.4kHz,輸出級帶通濾波器亦為 300Hz3.4kHz,這樣既可濾掉低頻分量又可濾掉 D/A轉(zhuǎn)換帶來的高頻分量，很好的濾除掉噪聲。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理知：欲使采樣信號無失真，抽樣頻率最低為 6.8kHZ，考慮到留有一定的余地，這樣就足夠保證語音質(zhì)量。經(jīng)量化后，微處理器將數(shù)據(jù)存到處理器，需要時再將其回放，存入與放出由開關(guān)通過微處理器

14、來控制實現(xiàn)。存儲器的容量選擇視所存語音信號的時間長短而定。為了使 A/D 的輸入信號穩(wěn)定在其動態(tài)范圍內(nèi)，在輸入級加上了自動增益控制電路，同時也使音量穩(wěn)定。4 4 單片機與轉(zhuǎn)換器單片機與轉(zhuǎn)換器4.14.1 MCSMCS5151 系列單片機系列單片機單片微型計算機Sing-Chip Microcomputer簡稱單片機。它是在一塊芯片上集成中央微處理器Central Processing Unit, CPU 、隨機存取存儲器Random Access Memory, RAM 、只讀存儲器Read Only Memory, ROM 、定時/計數(shù)器及 I/OInput/Output接口電路等部件，構(gòu)成

15、一個完整的微型計算機。它的特點是：高性能，高速度，體積小，價格低廉，穩(wěn)定可靠，應用廣泛。正是由于單片機具有上述顯著的特點，使單片機的應用范圍日益擴大。單片機的應用打破了人們傳統(tǒng)設計思想，原來很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路和邏輯部件來實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在均可以使用單片機，使用軟件來實現(xiàn)。以下是 AT98C51 單片機簡介。4 AT89C51 簡介AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)片內(nèi)程序存儲器，且是高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機3。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單

16、個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。A/D 轉(zhuǎn)換電路帶通濾波器D/A 轉(zhuǎn)換電路帶通濾波器輸出放大器耳機電源電路AT89C51 單片機鍵盤設定存儲器數(shù)據(jù)顯示增益大器拾音器 圖圖 3 3 AT89C51AT89C51 引腳圖引腳圖AT89C51 有 40 個引腳，4 個 8 位并行輸入/輸出I/O端口：P0、P1、P2、P3，其中，P1 是完整的 8 位準雙向 I/O 口，兩個外中斷，2 個 16 位可編程定時/計數(shù)器，兩個全雙向串行通信口，一個模擬比擬放大器。此外，AT89C51 的時鐘頻率可為零，即具備可用軟件設置的

17、睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有 RAM、定時/計數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進入工作狀態(tài)，省電模式中，片內(nèi) RAM 將被凍結(jié)，時鐘停止震蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件系統(tǒng)復位方可繼續(xù)工作。 1引腳介紹Vcc：接+5V 電源正端；GND：接地。P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P1 口：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口：P2 口

18、為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收， P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，當 P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。EA/V

19、PP：當/EA 保持低電平時，那么在此期間外部程序存儲器0000H-FFFFH。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2主要性能指標 與 MCS-51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線兩個 16 位可編成定時器/計數(shù)器 5 個中斷源 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路,12MHz 可有時鐘輸出 有強的位尋址位處理能力3AT89C51 單片機的主要組成局部CPU 是單片機的核心局部,他的作用是讀入和分析每條指令,根據(jù)每條指令的功能要求,控制各個部件執(zhí)行相應的操

20、作。AT89C51 單片機內(nèi)部有一個 8 位的 CPU，它是由運算器和控制器組成。運算器 運算器主要包括算術(shù)、邏輯運算部件 ALU、累加器 ACC、存放器 B、暫存器 YMP1、YMP2、程序狀態(tài)存放器 PSW、布爾處理器及十進制調(diào)整電路等。運算器主要用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、邏輯運算和位變量處理等?？刂破?控制器包括時鐘發(fā)生器、定時控制邏輯、指令存放器指令譯碼器、程序計數(shù)器 PC、程序地址存放器、數(shù)據(jù)指針存放器 DPTR 和堆棧指針 SP 等。它的功能是從程序存儲器中提取指令，送到指令存放器，再進入指令譯碼器進行譯碼，并通過定時和控制電路，在規(guī)定的時刻發(fā)出各種操作所需要的全部內(nèi)部控

21、制信息及 CPU 外部所需要的控制信號，使各局部協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的各種操作。存儲器 程序存儲器 程序存儲器用于存放編好的程序、表格和常數(shù)。此時多在片外程序存儲器中存放調(diào)試程序，使計算機工作在調(diào)試狀態(tài)。這里應該注意的是，片外程序存儲器存放調(diào)試程序的局部，其編址與片內(nèi)程序存儲器的編址是可以重疊的，就借 EA 的換接可實現(xiàn)分別訪問。使用時，通常在這些入口地址處存放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到用戶安排的中斷程序起始地址。4CPU 時鐘電路 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號。時鐘信號可以有兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式 內(nèi)部時鐘發(fā)生器實質(zhì)上是一個二分頻的觸發(fā)器

22、，其輸出信號是單片機工作所需的時鐘信號。外部時鐘方式外部時鐘方式是采用外部振蕩器，外部振蕩信號由 XTAL2 端接入后直接送至內(nèi)部時鐘發(fā)生器。本系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式，晶振采用 12MHz，其電路如下列圖 4 所示。圖圖 4 4 AT89C51AT89C51 單片機外接晶體的接法單片機外接晶體的接法(5)復位電路 單片機復位電路包括片內(nèi)、片外兩局部，片外復位電路通過引腳加到內(nèi)部復位電路上，內(nèi)部復位電路在每個機器周期 S5P2 對片外信號采樣一次，當 RST 引腳上出現(xiàn)連續(xù)兩個機器周期的高電平時，單片機就完成一次復位。AT89C2051 通常采用上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。上電復位電路在通

23、電瞬間，在 RC 電路充電過程中，RST 端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機復位。按鍵手動復位又分為按鍵電平復位和按鍵脈沖復位，按鍵電平復位是將復位端通過電阻與 Vcc相連，按鍵脈沖復位是利用 RC 微分電路產(chǎn)生正脈沖來到達復位的。4.24.2 D/AD/A、A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器4 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 的介紹(1) D/ A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 的主要性能指標分辨率 通常將輸入數(shù)字量的最低有效位 LSB 變化 1 時所引起的輸入電壓的變化V 稱為分辨率，即V=Vm/2 式中，Vm 為輸出電壓的滿度值；n 為 D/A 轉(zhuǎn)換器的二進制數(shù)的位數(shù)4。建立時間 當 DAC 輸入數(shù)字量發(fā)生變

24、換時，輸出模擬電壓也隨之改變，但輸出電壓變化到穩(wěn)定值時相對于輸入數(shù)字量的變化有一段延遲時間，這段延遲時間就稱為建立時間，用 ts表示。轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換誤差可以用絕對誤差或相對誤差 r 來表示。絕對誤差是指 DAC 的輸入端加有固定的數(shù)字代碼時。相對誤差 r 是指絕對誤差與滿度值之比，常用百分數(shù)表示。電源抑制比 DAC 的輸出電壓的變化量與相對應的電源電壓變化量之比定義為電源抑制比。(2) DAC0832 的引腳介紹DAC0832 有 20 個引腳：ID7ID0 是 8 位數(shù)據(jù)輸入端；ILE 是輸入數(shù)據(jù)允許鎖存信號，CS 與 WR是第一級緩沖器選通信號，這三個信號決定了 LE1的電平，LE1位為高

25、電平時，鎖存器的輸出隨輸入變化，LE1的負跳變,使數(shù)據(jù)鎖存進鎖存器，LE1為低點電平時，鎖存器的輸出不在隨輸入端數(shù)據(jù)變化；XFER 與 WR2是第二級緩沖器選通信號，它們決定了 LE2的電平，LE2在不同電平時對鎖存器的控制作用與 LE2一致；VREF 是基準電壓源輸入端；IOUT1、IOUT2 分別是電流輸出端 1 和電流輸出端 2；RFB 是反應信號輸入端；AGND 與 DGND 是模擬地與數(shù)字地，兩者分開是一項常用的抗干擾措施。DAC0832 的兩級緩沖器都是 8 位鎖存器，它具有二級鎖存控制功能，當多片同用時可實現(xiàn)多參數(shù)的同時輸出，此時每片 DAC0832 承當一種參數(shù)的 D/A 轉(zhuǎn)換

26、，各片第一級緩沖器翻開是有先后的，但各片的 XFER 與 WR2信號如分別互連在一起，那么多片 DAC0832 開始 D/A 轉(zhuǎn)換和有模擬量輸出的時間將根本一致。D/A 轉(zhuǎn)換芯片的作用是將存儲的數(shù)字語音信號轉(zhuǎn)換為模擬語音信號，由于一般的模擬轉(zhuǎn)換器都能到達 1s 的轉(zhuǎn)換速率，足夠滿足題目的要求，故我們在此選用了通用 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832。4. A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574 介紹AD574 的特點及功能AD574 是AD 公司生產(chǎn)的12 位逐次逼近型ADC , 它的轉(zhuǎn)換速度為25s , 轉(zhuǎn)換精度為0. 05 % , 可廣泛應用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中5。由于AD574 芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路,

27、因而可直接與單片機的數(shù)據(jù)總線相連。另外, 由于AD574 與CMOS 和TTL 兼容, 因而可構(gòu)成簡單的數(shù)據(jù)采集最小系統(tǒng)。AD574 為28 腳雙列直插式封裝, 其引腳分布如圖5所示。各主要引腳功能如下: 圖圖5 5 AD574AD574的引腳圖的引腳圖CS:片送。CE:片啟動。R / C :讀出/轉(zhuǎn)換控制。12 / 8 :數(shù)據(jù)輸出格式選擇腳。當12 / 8 為1( +5V) 時, 12 條數(shù)據(jù)線將同時進行輸出; 當12 / 8 為0(0V)時,為8 位雙字節(jié)輸出。A0 : 字節(jié)選擇線。當A0 為0 時,AD574 進行全12 位轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換間為25s ;當A0 為1 時，進行8 位轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時

28、間為16s。在讀出期間,當A0 為0 時, 輸出高8 位; 當A0 為1 時,輸出低4位,并以4個0 作為尾隨的4 位以補足8 位,即當兩次讀出12 位數(shù)據(jù)時,應遵循左對齊原那么。STS:輸出狀態(tài)指示引腳。轉(zhuǎn)換開始時,STS 為高電平,并在轉(zhuǎn)換過程中保持高電平。轉(zhuǎn)換后STS返回到低電平。STS 可作為狀態(tài)信息被CPU查詢;也可以在它的下降沿向CPU發(fā)出中斷請求, 以通知A /D 轉(zhuǎn)換已完成,同時CPU可以讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。 根據(jù)題目要求采樣頻率=8KHZ，字長=8 位，可選擇轉(zhuǎn)換時間不超過 125s 的八位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。鑒于轉(zhuǎn)換速度的要求，我們采用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 AD574。該芯片是高速

29、 12 位逐次比擬型 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的 A/D 轉(zhuǎn)換。5 5 電路設計電路設計拾音器拾音器拾音器是一種聲傳感器，聲傳感器是把外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。它在通訊、噪聲控制、環(huán)境檢測、音質(zhì)評價、文化娛樂、超聲檢測、水下探測和生物醫(yī)學工程及醫(yī)學方面有廣泛的應用6。它的種類很多，按其特點和頻率等，將它劃分為超聲傳感器、聲壓傳感器和聲外表波傳感器等。單純的磁性拾音器工作的電學原理為當聲音在銅絲繞制的線圈內(nèi)震動切割被該線圈所纏繞的磁芯產(chǎn)生的磁感

30、線時，線圈內(nèi)感應出電信號并流出。感應電流的強弱取決于切割磁感線的多寡振幅 、切割頻率震動頻率和磁感線自身的強弱。 拾音器包括拾音頭換能裝置、唱針和音臂等附件。其換能裝置主要有壓電式、電磁式、電容式以及半導體等。電磁式拾音頭，用電磁感應原理，將機械振動變換成電信號的幅度響應拾音頭。主要由線圈和磁鋼等組成。唱針耦合在線圈上的稱動圈式，耦合在磁鋼上的稱動磁式。此外，也有將唱針耦合在銜鐵上的稱為動鐵式，也稱可變磁阻式。在本設計中決定采用動圈式拾音器。放大器的設計放大器的設計（） 增益放大器拾音器輸出的毫伏信號實測其范圍約為 2025Mv，此電信號太小不能進行采樣，后級 A/D 轉(zhuǎn)換輸入信號的動態(tài)范圍為

31、 05V，語音信號的范圍與采樣范圍比擬得出放大器的放大倍數(shù)應為 200 倍左右，此處將信號通過增益為 46dB 的放大器，將其放大到伏特量級，輸出級放大電路亦采用這種電路，兩級放大電路都采用增益可調(diào)的典型電路7。為了將從拾音器獲得的微弱語音信號放大,采用兩極高輸入阻抗的同向放大器,電路圖如圖 6 所示：每級放大器的放大倍數(shù)按下式計算: (1)311/1RRAPV (2)522/1RRAPV32618574NE553432618574NE5534POT1POT2R2R1R3R4R5C?1.0uFE1C1C2E2.2uFM+15+15-15-15OUT圖圖 6 6 增益放大器增益放大器輸出放大器

32、經(jīng)帶通濾波器輸出的聲音回放信號，其幅度為 05V 足以用耳機來接收聽，可不接任何放大器。但考慮到實際中經(jīng)?；赜玫嚼韧夥?，故在本系統(tǒng)中增加外放功能，前端放大器采用通用型音頻功率放大器 LM386 來完成。電路如圖 7 所示。該電路增益為 50200 連續(xù)可調(diào)，最大不失真功率為 325mW。輸出端接 C4、R9 串聯(lián)電路，以校正喇叭的頻率特性，防止高頻自激。腳 7 接 220uF 去偶電容，以消除低頻自激。為便于該功放在高增益情況下工作，這里將不使用輸入端腳 2 對地短路。圖圖 7 7 輸出放大器輸出放大器有源帶通濾波器設計有源帶通濾波器設計濾波器是一種能使有用頻率信號通過同時抑制(或大為衰減)

33、無用頻率信號的電子裝置。工程上常用它來作信號處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等。這里主要討論模擬濾波器。以往這種濾波電路主要采用無源元件 R、L 和 C 組成，60 年代以來，集成運放獲得了迅速開展，由它和 R、C 組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。此外，由于集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但是，集成運放的帶寬有限，所以目前有源濾波電路的工作頻率難以做的很高，這是它的缺乏之處。對于幅頻響應，通常把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，而把受阻和衰減的信號頻率范圍定義為阻帶，理想濾波電路在通帶內(nèi)應具有零衰減的幅頻響

34、應和線形的相位響應，而在阻帶內(nèi)應具有無限大的幅度衰減 。按照通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器可分為低通濾波器、0jA高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。通常用幅頻響應來表征一個濾波器的特征，欲使信號通過濾波器的失真很小，那么相位和延時響應亦須考慮。當相位響應作線性變化，即時延響應為常數(shù)時，輸出信號才可能防止失 真。圖圖 8， (s=) (3) )( 1/ )(0SVSVsAejAjA jj由上式可知：這里為傳遞函數(shù)的模,為其相位角。延時向量：jA 聲音信號經(jīng)動圈拾音器轉(zhuǎn)有源濾波器換成電壓信號，通過前級放大，在對 dds/ )()(其進行數(shù)據(jù)采集之前，有必要經(jīng)過帶通濾波器除帶外雜波，選定該濾波器

35、的通帶范圍為300Hz3.4KHz.其作用是：(1) 保證 3003400Hz 的語音信號不失真的帶通濾波器。(2) 濾除帶外的低頻信號，以減少帶外功頻等分量的干擾。(3) 便于濾除帶外的高次諧波，以減少因 8kHz 采樣率而引起的混疊失真。(4) 上限頻率 fh=3400Hz,通帶濾波器中心頻率 f0 與品質(zhì)因數(shù)分別為：f0=1010Hz (4)1FhF3003400 Q= (5)326. 01/0/0FFhFBWF由上式可知：Q10，故該帶通濾波器為寬帶帶通濾波器。帶寬帶通濾波器由高通和低通濾波器級聯(lián)構(gòu)成，鑒于濾波器帶內(nèi)平坦的響應特性，我們選用二階帶通濾波器，電路如圖 9 所示。實驗證明，

36、該濾波器能有效的濾除低頻分量，大大減少噪聲干擾，與之同時也濾除了多余的高頻分量，消除了高頻失真，性能足以滿足要求。圖圖 9 9 帶通濾波器帶通濾波器可調(diào)穩(wěn)壓電源的設計可調(diào)穩(wěn)壓電源的設計這里介紹的穩(wěn)壓電源，采用三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路 LM317，外圍電路十分簡單，便于制作。該穩(wěn)壓電源，電壓可調(diào)范圍 1.525V,最大負載電流。電路如圖 10 所示：220V 交流電經(jīng)變壓器 T 降壓,得到 24V 交流電,再經(jīng) VD1VD4 組成的全橋整流,由 C1 濾波后得到 33V 左右的直流電壓。該電壓經(jīng)集成電路 LM317 后得穩(wěn)壓輸出,調(diào)節(jié)電位器 RP,即可連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。圖中 C2 用以消除寄生振蕩,

37、濾波電路t1t0C3 的作用是抑制紋波,C4 是用以改善穩(wěn)壓電源的的暫態(tài)響應,VD6、VD7 在輸出端電容漏電或調(diào)整端短路時起保護作用。VD5 為本電源的工作指示燈，電阻 R1 是限流電阻。輸出端接微型電壓表 PV，可以直觀的指示輸出電壓值。圖圖 1010 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源可調(diào)直流穩(wěn)壓電源 單片機單片機 AT89C51AT89C51 和和 AD574AD574 的接口原理的接口原理AD574 和單片機系統(tǒng)的根本組成主要有單片機、A / D 轉(zhuǎn)換器和計算機接口。單片機是系統(tǒng)的核心局部, 主機通過接口啟動單片機工作, 以使CPU資源向其它請求開放。單片機發(fā)出控制信號以啟動A /D 轉(zhuǎn)換器進行采樣,

38、 然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入雙端口SRAM8。當RAM中的數(shù)據(jù)到達一定數(shù)量時, 單片機向計算機發(fā)出中斷請求。主機接到請求后進入中斷效勞程序,并向單片機發(fā)出命令,以決定是否繼續(xù)采樣,同時將SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。系統(tǒng)的硬件設計在連接上應主要考慮三總線(控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線) 的連接。圖11所示是一個A/ D 轉(zhuǎn)換器與單片機的AT89C51接口電路。其中,AD574 是1個完全的單片式12位逐次比擬型A /D 轉(zhuǎn)換器, 它帶有可以直接與8 位或16 位總線接口的三態(tài)緩沖器,因而不需要再加鎖存器。由于AD574 片內(nèi)自帶高精度參考電壓和時鐘, 因此不需要外部電路和時鐘就可全速工作, 是一種比擬常用

39、的中速A / D 轉(zhuǎn)換芯片。AD574 完成1 次全12 位轉(zhuǎn)換最多需要35s ,適合于轉(zhuǎn)換速率低于30kb /s 的應用領(lǐng)域。 AT89C51 單片機是MCS - 51的典型代表。由于該接口系統(tǒng)要求各路信號測量同步, 即同時啟動各A / D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。因此, 8031必須完成同時啟動、分別讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果的任務?，F(xiàn)將AT89C51 的主要任務分述如下:(1) 接收主機的采樣命令。即利用P1. 7 口并采用查詢方式等待主機發(fā)出采樣命令, 當其為低電平時,啟動采樣過程。(2) 啟動采樣。AT89C51 利用P2. 7 經(jīng)過反相后控制AD574 的讀出和啟動轉(zhuǎn)換控制線R / C , 并再經(jīng)過與非

40、門和反相器來控制片選線CS。(3) 讀取并存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果。所有A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束與否的判斷均由P1 口的低4 位來進行,當?shù)? 位均為低電平時, 表示所有轉(zhuǎn)換都已結(jié)束。需要對轉(zhuǎn)換器分配地址,以逐一讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。進行讀取操作時,地址應為對應存儲器單元的操作地址, 因為存儲器單元地址的末尾2 位數(shù)依次為00、01、10、11 , 因此,對單元操作也就是表示對相應編號的A / D 轉(zhuǎn)換器進行了讀操作。(4) 向主機發(fā)出中斷申請。在當前存儲區(qū)滿后,要向主機發(fā)出中斷請求, 以向主機傳送數(shù)據(jù)。因為每一存儲區(qū)為1kB , 所以利用存儲數(shù)據(jù)時, P2.2 的狀態(tài)可以判斷是否已被完全占用。為了實現(xiàn)啟動A /D 轉(zhuǎn)換

41、和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出, AD574 的片選信號CS 由地址總線的次低位A1( P0. 1) 提供, 在讀寫時,A1 應設置為低電平,可見在讀寫時,A7亦應為低電平。輸出狀態(tài)信號STS 接到P3. 2 端可供單片機查詢判斷A / D 轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。AD574 的A0由地址總線的最低位A0( P0. 0) 控制,可用于實現(xiàn)全12 位轉(zhuǎn)換,并將12 位數(shù)據(jù)分兩次送入數(shù)據(jù)總線。 圖圖11 單片機單片機AT89C51與與AD574接口圖接口圖存儲器的選取存儲器的選取在數(shù)字化語音存儲與回放的設計中可用 AT29C040 存儲器來存儲時間，如圖 12 所示：AT29C040 具有在線可擦寫、非揮發(fā)性、信息保存可

42、靠、存儲容量大等優(yōu)點，每片的容量為 512K 字節(jié)，由于 AT89C51 一般能尋址 64K 字節(jié)。所以需要利用 P1 口進行地址擴寬。AT29C040 讀取時間僅為 70ns，單一+5V 電源，雙 8k 字節(jié)的引導區(qū)，內(nèi)部程控定時器，硬件和軟件數(shù)據(jù)保護功能，快速扇出程序周期 10ms，低功耗：待機為 100uA，啟開工作為 50mA，10000 次擦寫次數(shù)。輸入輸出全兼容 CMOS 和 TTL 電路。其系統(tǒng)總體原理圖，如圖 13 所示：圖圖 1212 AT29C040AT29C040 引腳引腳圖圖 1313 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖 對數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的校正對數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的校正首先對頻域中的函數(shù)進行分析, 在頻域 304030Hssffff/sin/ssffff/sin/范圍內(nèi)的曲線如圖 14 所示，由圖可見，它近似于阻帶內(nèi)增益變化極為緩慢近于恒定的高通濾波器。由于受單片機數(shù)據(jù)運算處理能力的限制，數(shù)字濾波不易實現(xiàn)，故這里采用硬件濾波，濾MPS5 . 0波電路如圖 15 所示：圖圖 1414 函數(shù)分析圖函數(shù)分析圖圖圖 1515 濾波電路濾波電路該濾波網(wǎng)絡采用簡單的無源濾波網(wǎng)絡即可實現(xiàn)，圖中 C1 R1頻率較高處有大 ssffff/幅度的衰減,故該網(wǎng)絡還應滿足在頻