摘  要: 介绍了一种全新的多功能长时间数码语音录放器件。该器件由ISD单片语音录放电路、程序已固化的微处理器MCU及数据备份电路等组成,采用多芯片标准DIP封装,可实现8种不同的工作模式,并且可由用户随意选用。

　　关键词: ISD单片语音录放电路  多功能  多芯片  DIP封装

　　语音是当前信息社会现代科技中人机对话的最高智能形式。为了满足市场的要求,越来越多的电子产品正在成为“会说话”的新一代产品,不仅提高了性能,方便了用户,也大大提升了这些产品的档次,越来越成为市场的新宠。采用标准双列直插DIP封装的智能型多芯片多功能长时间数码录放语音电路" title="语音电路">语音电路(以下简称DSD),就是适应市场的这种需求应运而生的一种全新的语音产品。它既有单片语音录放电路的封装形式,又有着语音模块及电路板级的复杂功能;它还具有外形小、通用性强、成本低、使用方便等众多优点;作为一种应用面更广泛的标准的语音配套产品,它使ISD语音电路真正成为一种智能型的数码语音录放系统。DSD系列产品作为单片语音电路的“专家级”完整解决方案,使单片数码语音电路的应用跃上了一个新台阶,出现了一个全新的局面。

1 DSD系列产品的原理

　　DSD产品选用目前国际上技术较为先进的单片语音录放电路ISD系列产品作为主体,选用高性能RISC 8位单片机芯片对ISD语音电路进行相应的管理与控制,并配上必要的外围电路与元件组成的,不仅使DSD可以完全实现基本的录放功能,并且具有八种不同的可由用户随意选用的工作模式。DSD的多功能特点是在总结目前ISD语音电路设计及其诸多应用项目的实践经验的基础上,通过对ISD电路应用软件深入开发,不断优化、综合、升级而得以实现的。为了降低成本,在生产中采用了软件固化技术。

　　为了理解DSD的的原理,必须对ISD语音电路加以了解。因此这里首先系统地介绍一下ISD单片语音电路的主要原理。

　　ISD语音电路利用ISD公司的DAST专利技术成功地实现了模拟数据在半导体存储器中的直接储存。这种突破性的存储方式可以将模拟语音数据直接写入单个E²PROM或FLASH存储器中,而不需要经过A/D或D/A转换,从而产生两个效果:(1)比同等的数字存储方式具有更大的集成度;(2)存储的模拟数据不挥发。因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声, 避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。ISD语音电路的采样频率" title="采样频率">采样频率从4.0kHz到 8.0kHz,频率响应最高可达3.4kHz。片内信息可保存100年(无需后备电源), 可反复录音十万次。

　　ISD系列产品的基本框图如图1所示。

　　录音时,ISD器件在存储模拟数据之前,要对信号进行调整。

    首先,要将输入信号放大到存储电路动态范围的最佳电平,这由前置放大器、放大器和AGC部分来完成。

前置放大器通过隔直电容与麦克风连接,隔直电容用于去掉低电平交流信号(约2～20mV)中的直流成份。AGC电路动态监控放大器的输出电平并将增益控制电压发送到前置放大器,使前置放大器的信号能得到最高电平又使削波减至最小。前置放大器20dB左右的增益压缩范围能补偿各种话筒的特性及各种语音音量,即使动态信号范围增大20dB也可以保持信号的完整性,把失真减到最小。

　　然后,由输入滤波器完成信号调整。模拟信号的存储仍然采用采样技术,因此还需要用一个抗混淆滤波器以去掉(或至少减到可忽略的程度)超过1/2采样频率的输入频率分量。这样就满足了所有数据采样系统都适用的奈奎斯特定理。ISD采用8kHz的采样频率可使语音质量大大优于电话的音质。低通滤波器的高频频限选在3.4kHz,可满足奈奎斯特定理,而且仍有足够的频带以获得高质量的语音。滤波器是一个连续的五极点低通滤波器,在3.4kHz处每8倍程频率衰减40dB。

　　信号调整结束后,即可将输入信号通过模拟收发器写入模拟存储阵列" title="存储阵列">存储阵列中。这里,采用8kHz采样并且经过电平移位,从而生成不挥发写入过程所需要的高电压,同时补偿与Fowler-Nordheim隧道效应有关的一些实际因素。采样时钟也用于存储阵列的地址译码,以便将采样信号顺序地写入存储阵列。

　　放音时,录入的模拟电压在同一采样时钟的控制下顺序地从存储阵列中读出,重构原来的采样波形。这里,在输出通路上采用平滑滤波器以去掉采样频率分量并恢复原始波形。采样时钟的频率会影响录音的时间长度和音质。随着频率的提高,音质会有所改善,当然录音时间会相应缩短;反之,较低的采样频率会增加录音时间,代价是降低了音质。出厂前,振荡频率的精度已经微调到优于1%。ISD有一套先进的技术,即通过对集成在芯片内的不挥发微调位进行编程来实现对振荡元件值的微调。这项调整既影响振荡器频率,也影响滤波器截止频率。因此,微调振荡频率的同时也自动地微调了滤波器的截止频率。

　　ISD系列器件的线路设计使得每个E2PROM或FLASH存储器等效于8位存储器,信息写入存储单元" title="存储单元">存储单元采用闭环方式。采样保存电路在编程周期内保存数据并将需存储的模拟电压提供给比较器" title="比较器">比较器的一个输入端,比较器的另一个输入是存储单元本身的输出。在多次写入中,电子被“泵入”存储单元,存储电平随即被反馈回比较器。当比较器指示存储单元的输出电压等于采样保持电平时,就停止该单元的编程过程。系统的分辨率取决于每次写入时注入存储单元的最小电荷量,大约有256级,相当于8位精度。这种写入方法避免了单元之间的差异。

　　所有这些处理过程都是基于E2PROM/FLASH浮栅技术的,实验室的测试指出,典型的数据保存年限可达百年。

    DSD系列产品功能强大,涵盖广泛,共有8种模式可供用户选择,如表1所示。

    下面给出几种录放系统连接方式,如图2～6所示。

　　在实际应用中,为了取得较为完善的录音效果(这对很多应用项目是至关重要的),可采用电脑程控自动分段录音系统实现自动分配地址、合理调整录音电平、按地址分段精确录音等,并通过软件优化,全面解决ISD语音电路存在的抹音问题,由于篇幅所限,在此不一一介绍。

2 DSD的主要技术性能指标

　　(1)频率响应:300Hz～3400Hz

　　(2)信噪比:≥44dB

　　(3)失真度:≤5%(f=1kHz)

　　(4)录放音时间:

     　　DSD-2产品   2～4分钟

　　     DSD-4产品   4～8分钟

    　　 DSD-8产品   8～16分钟

　　(5)录音次数:可达10万次

　　(6)断电语音信息保存时间:100年

　　(7)内置8种工作模式,用户可以任意选用其中1种。

　　(8)单3V直流电源。

3 DSD系列产品的引脚描述

　　DSD系列产品采用标准DIP封装形式及类似的加工技术,其外引线为32条脚,尺寸与标准的32脚DIP封装完全相同。

DSD系列产品的引脚描述如表2所示。

4 典型应用线路举例

　　作为一个应用实例,这里给出可独立控制的家用多人留言机原理图,如图7所示。

　　控制部分由按键阵列组成,R1～R8对应8个独立的录音键,P1～P8对应8个独立的放音键,可分配给家庭中的不同成员使用,互不干扰。声音输入由麦克风输入,经放大电路放大。声音输出经功放器件TA7368放大后推动喇叭。

参考文献

1 ISD全系列单片语音录放电路设计与应用汇编.ISD,1999

2 李齐雄,郑颜雄. 微控制器原理与实作.台湾:儒林图书公司出版,1998