兴安盟广播电视大学语音芯片翻录.docx

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兴安盟广播电视大学语音芯片翻录

兴安盟广播电视大学

系别：

计算机科学与技术系

专业：

计算机应用技术

班级：

10春计算机

学生姓名：

张艳彪

学生学号：

1015001402967

设计（论文）题目：

ISD4004语音芯片翻录器设计

指导教师：

陆晓亮

前言

一、ISD4004系列语音录放集成电路应用说明........6

1、简述.....................................6

2、引脚描述.................................8

3、SPI（串行外部接口）.........................10

4、时序....................................13

5、典型应用电路...............................15

6、电气参数................................18

二、低电压音频功放电路......................22

三、电路设计原理图............................28

四、电路设计PCB板............................30

五、源程序代码设计...........................31

六、总结..................................42

七、谢辞...................................42

八、参考文献...............................42

ISD4004语音芯片翻录器的研制

摘要

针对ISD语音芯片的特点，设计一种由单片机控制，能够循环录放的语音电路，可作为录音机，复读机、音频记录仪使用，既节省存储空间，又降低成本，具有较高的实用价值。

关键词：

ISD4004语音循环录放。

Summary

AimatthecharacteristicsoftheISDspeechchip,designakindoffromsingleslicemachinecontrol,cancirculatetorecordtoputofspeechelectriccircuitbeataperecorder,replyingtoreadmachine,theaudiofrequencyrecordinstrumentusage,sinceeconomicalsavingspace,andthendeclinelowcost,havehigherpracticalvalue.

Keyword:

TheISD4004speechesrecordtoputcircularly.

前言

ISD系列语音芯片是美国ISD公司推出的产品。

该系列语音芯片采用多电平直接接模拟存储（ChipCorder）专利技术，声音不需要A/D转换和压缩，每个采样值直接存储在片内的闪烁存储器中，没有A/D转换误差，因此能够真实、自然地再现语音、音乐及效果声。

避免了一般固体录音电路量化和压缩造成的量化噪声和金属声。

ISD4004语音芯片采用CMOS技术，内含晶体振荡器、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等，因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。

芯片设计是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。

采样频率可为4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0kHz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降。

片内信息存于内烁存储器中，可在断电情况下保存100年（典型值）反复录音10万次。

器件工作电压3V，工作电流25～30mA，维持电流1μA?

单片录放语音时间8～16min，音质好，适用于移动电话机及其它便携式电子产品中。

目前，市场上的固体录音机及各种录音笔，大多采用的是顺序录音，不具备循环录音功能，一旦存储器录满，必须重新操作才行。

本文设计一种能够循环录放的语音电路，即可解、上述问题。

一、ISD4004系列语音录放集成电路应用说明

1、简述

◆单片8至16分钟语音录放、8、10、12及16分钟

◆3V单电源工作

◆工作电流2530mA，维持电流1uA

◆高质量、自然的语音还原技术

◆自动静噪功能

◆无需开发系统

◆内置微控制器串行通信接口

◆多段信息处理

◆不耗电保存信息100年（典型值）

◆100000次录音周期（典型值）

◆片内免调整时钟，可选用外部时钟

ISD4004系列型号与性能对照表

-型号

录放时间

输入采样

典型带宽

最大段数

最小段长

外部时钟

ISD4004-08M

8分钟

8.0KHz

3.4KHz

2400

200ms

1024KHz

ISD4004-10M

10分钟

6.4KHz

2.7KHz

2400

250ms

819.2KHz

ISD4004-12M

12分钟

5.3KHz

2.3KHz

2400

300ms

682.7KHz

ISD4004-16M

16分钟

4.0KHz

1.7KHz

2400

400ms

512KHz

E63480系列内部框图（与ISD4003雷同）

Figure:

ISD4003SeriesBlackDiagram

ISD4004系列TSOP及PDIP、SOIC引脚如下：

（和ISD4003系列相同）

Figure1：

ISD4004SeriesTSOPandPDIP/SOICPinouts

ISD4004系列工作电压3V，单片录放语音时间8至16分钟，音质好，适用于移动电话机及其它便携式电子产品中。

芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混清滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频放大器及高密度多电平闪烁存贮陈列。

芯片设计是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。

芯片采用多电平直接模拟量存贮技术，每个采样值直接存贮在片内的闪烁存贮器中，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固置化和压缩造成的量化噪声和多属声。

采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0KHz,频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降，片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100年（典型值）反复录音10万次。

2、引脚描述

电源（VCCA，VCCD）为使噪声最小，芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并分别引到外封装的不同引脚上，模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能靠近供电源处相连，而去耦电容应尽量靠近器件。

地线（VSSA，VSSD）芯片内的模拟和数字电路也使用不同的地线。

几个VSSA尽量在引脚焊盘上相连，并用低阻通路连到电源上，VSSD也用低阻通路连到电源上。

这些接地通路要足以使VSSA与VSSD之间的阻值小于3Ω。

芯片的背面是通过衬底电阻连接到VSS的，在做COB时托盘须接VSS或悬空。

同相模拟输入（ANAIN+）这是录音信号的同相输入端。

输入放大器可用单端或差分驱动。

单端输入时，信号由耦合电容输入，最大幅度为峰峰值32mV，耦合电容和本端的3KΩ电阻输入阻挠决定了芯片频率的低端截止频率。

在差分驱动时，信号最大幅度为峰峰值16mV。

这两种戏动方式见下图。

反相模拟输入（ANAIN-）差分驱动时，这是录音信号的反相输入端。

信号通过耦合电容输入，最大幅度为峰峰值16mV，本端的标称输入阻挠为56kΩ，单端驱动时，本端通过电容接地。

两种方式下，ANAIN+和ANAIN-端的耦合电容值应相同。

音频输出（AUDOUT）提供音频输出，可驱动5KΩ的负载。

片选（SS）此端为低，即选中ISD4003B系列

串行输入（MOSI）此为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端，供TER输入

串行输出（MISO）TER串行输出端，TER末选中时，本端呈高阻态。

串行时钟（SELK）TER的时钟输入端，由主控制器产生，用于同步MOSI和MISO的数据传输。

数据在SCLK上升沿锁存到TER，在下降沿移出TER。

忠断（INI）本端为漏极开路输出，TER在任何操作（包括快进）中检测到EOM或OVF时，本端变低并保持。

中断状态在下一个SPI周期开始清除，中断状态也可用RITN指令读取。

OVF标志指示TER录放操作已到达存贮器的末尾。

EOM标志只在放音过程中检测到内部的EOM标志时，此状态位置1。

行地址时钟（RAC）漏极开始输出。

每个RAC周期表示TER存贮器的操作进行了一行（TE63480系列中的存贮器其2400行）。

8KHz采样频率的器件，RAC周期为200ms，其中175ms保持高电平。

低电平为25ms。

快进模式下，RAC218.75us高电平，31.25us为低电平，该端可用于存贮管理技术。

外部时钟（XCLK）本端有内部下拉元件，芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，误差在+1%内，商业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在+2.25%内.工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化为-6%+4%，此时建议使用稳压电源.若要求更高精度，可从本端输入外部时钟（如前表中所列）.由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定，故上述推荐的时钟频率不应改变。

输入时钏的占空比无关紧要，因内部首先进行了分频，在不外接时钟时，此端必须接地。

自动静噪（AMACP）当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时，1MF电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。

检测出的峰值电平为内部设定的阈值作比较，决定自动静噪功能的翻转点，大信号时自动静噪电路不衰减，静音时衰减6dB，1uF电容也影响自动静噪电路时信号幅度的响应速度，本端接VCCA则禁止自动静噪。

3、SPI（串行外部接口）

TE63480工作于SPI串行接口.SPI协议是一个同步串行数据传输协议，协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作，因此对TE63480而言，在时钟上升沿锁存MOSI引脚数据，在下降沿将数据送至MISO引脚。

协议具体内容如下：

1、所有串行数据传输开始于SS下降沿。

2、SS在传输期间必须保持为低电平，在两条指令之间保持为高电平。

3、数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出。

4、SS变低，输入指令和地址后，TER行能开始录放操作。

5、指令格式是8位控制码加16位控制码。

6、TER的任何操作（含快进）如果遇到WOM或OVF，则产生一个中断，该中断状态在一下个SPI周期开始时被清除。

7、使用“读”指令会使中断状态位移出TER的MISO引脚时，控制及地址数据也同步从MOSI端移入。

因此，要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容，当然，也允许在SPI周期里，同进执行读状态和开始新的操作（即新移入的数据与器件当前操作可以不兼容）

8、所有操作在运行位（RUN）置1时开始，置0时结束。

9、所有指令都在SS端上升沿开始执行。

（1）信息快近

用户不必知道的确切地址，就能快进跳过一条信息。

信息快进只用于放音模式。

放音速度是正常的1600倍，遇到EOM后停止，然后内部地址计数器加1，接向下条信息开始处。

上电顺序

器件延时TPUD（8KHz）采样时，约为25毫秒）后才能开始操作。

因此，用户发完上电指令后，必须等待TAUD，才能发出一条操作指令。

例如：

从00处放音，应遵循如下时序：

1、发powerup命令；2、等待TPUD（上电延时）；3、发地址值为00的SETPLAY命令；4、发PLAY命令。

器件会从00地址开始放音，当出现EOM时，立即中断，停止放音。

如果从00处录音，则按以下时序；1、发powerup命令；2、等待TPUD（上电延时）；3、发powerup命令；4、等待2倍TPUD；5、发地址值为00的SETREC命令；6、发REC命令。

器件便从00地址开始录音，一直到出现OVF（存贮器末尾）时，录音停止。

指令表

指令

8位控制码，16位地址码

操作摘要

POWERUP

00100xxx（xxxxxxxxxxxxxxxx）

上电：

等待TPUD后器件可以工作

SETPLAY

11100xxx（A15~A0）

从指令地址开始放音，须后跟PLAY指令，使放音继续

PLAY

11110xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）

从当前地址开始放音（直至EOM或OVF）

SETREC

10110xxx（A15~A0）

从指定地址开始录音，须后跟REC指令，使录音继续

REC

110110（xxxxxxxxxxxxxxx）

从当前地址开始录音（直至OVF或停止）

SETMC

11101xxx（A15~A0）

从指定地址开始快进，须后跟MC指令，使快进继续

MC

11111xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）

执行快进，直到EOM，若再无信息，则进入OVF状态

STOP

0x110xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）

停止当前操作

STOPPWRDN

0X01Xxxx（xxxxxxxxxxxxxxx）

停止当前的操作并掉电

RINT

0X110xxx（xxxxxxxxxxxxxxxx）

读状态；OVF和EOM

注：

1、快进只能在放音操作开始选择

（3）SPI端口的控制位

4）SPI控制寄存器

SPI控制寄存器控制器件的每处功能，如录放、录音、信息检索（快进）、上电/掉电、

开始、停止操作、忽略地址指针等。

详见下表

位

值

功能

位

值

功能

RUN

=

=

1

0

允许/禁止操作

开始

停止

PU

=

=

1

0

电源控制

上电

掉电

P/-R

=

=

1

0

录/放方式

放音

录音

IAB

=

=

1

0

操作是否使用指令地址

忽略输入地址寄存器的内容

使用输入地址寄存器的内容

MC

=

=

1

0

快进模式

允许快进

禁止快进

P15~P0

行指针寄存器

A0~A15

输入地址寄存器

注：

IAB置0时，录、放操作从A15A0地址开始。

为了能连贯地录、放到后续的存储空间，在操作到达该行之前，应发出第二个SPI指令将IAB置1；原则器件在同一地址上反复循环。

这个特点对语音提示功能很有用，RAC脚和IAB位可用于信息管理。

4、时序

SPI时序参数如ISD4003系列，时序图也相同

Symbol

Characteristics

Min

Max

Units

Conditions

TSSS

SSSetupTime

500

nsec

TSSH

SSHoldTime

500

nsec

TDIS

DatainSetupTime

200

nsec

TDIH

DatainholdTime

200

nsec

TPD

OutputDelay

500

nsec

TDF

（2）

OutputDelaytohis

500

nsec

TSSMIN

SSHIGH

1

usec

TSCKHI

SilkhighTime

400

nsec

TSCKLOW

SCLKLowTime

400

nsec

FO

CLKFrequency

1000

KHz

8位及24位命令格式如下：

Figure6：

8-BitCommandFormat

Figure7：

24-BitCommandFormat

录音、放音、停止时序如下：

Figure8：

Playback/RecordandStopCycle

5、典型应用电路（与ISD4003系列相同）这里共给出四种应用电路图

Figure10：

ApplicationExampleUsingSP

（1）

1.Thisapplicationexampleisforillustrationpurposesonly.TERmakesnorepresentationorwarrantythatsuchapplicationwillbesuitableforproduction.

2.Pleasemakesurethebypasscapacitor,c2isascloseaspossibletothepackage.

Figure11:

ApplicationExampleusingmicroware

1.Thisapplicationexampleisforillustrationpurposesonly.TERmakesnorepresentationorwarrantythatsuchapplicationwillbesuitableforproduction.

2.Pleasemakesurethebypasscapacitor.C2isascloseaspossibletothepackage.

Figure12:

ApplicationExampleUsingSPIportonMicrocontrolle

1.applicationexampleisforillustrationpurposesonly.TERmakesnorepresentationThisorwarrantythatsuchapplicationwillbysuitableforproduction.

2.Pleasemakesurethebypasscapacitor,C2isascloseaspossibletothepackage.

Figure13:

ApplicationExampleUsingSPIwithachipscalepackagedDevice

1.Thisapplicationexampleisforillustrationpurposesonly.TERmakesnorepresentationorwarrantythatsuchapplicationwillbesuitableforproduction.

2.Pleasemakesureallbypasscapacitorsareascloseaspossibletothepackage.

3.GroundplanemustbeusedtoconnectallVSSApinstogether,.itagroundplaneisnotavailablethenashortandlowimpedancepathisnecessary.

4.RouteANAIN+andANAIN-awayfromVCCDandVSSDreturnpaths.

BlazingforelectretmicrophonemustcomefromVCCDandVSSA

6、电气参数

1、极限参数与工作参数

Condition

value

Condition

Value

Junctiontemperature

150℃

VCC-VSS

-0.3vto+7.0v

Storagetemperaturerange

-65℃to+150℃

Commercialoperatingtemperaturerange

（1）

0℃to70℃

Voltageappliedtoanypin

（VSS-0.3V）to（Vcc+0.3V）

Extendedoperatingtemperature

（1）

-20℃to+70℃

Voltageappliedtoanypin（inputcurrentlimitedto+20mA）

（VSS-1.0V）to（Vcc+1.0V）

Industrialoperatingtemperature

（1）

-40℃to85℃

VoltageappliedtoMOSL,SCLK,andsspins（inputcurrentlimitedto+20mA

（VSS-1.0V）to（Vcc+1.0V）

Supplyvoltage（VCC）

（2）

+2.7vto+3.3v

Leadtemperature（soldering–10seconds）

300℃

Groundvoltage（VSS）（3）

0v

1.Casetemperature.

2.VCC-VCCA-VCCD.

3.VSS=VSSA=VSSD.

1.stressesabovethoselistedmaycausepermanentdamagetothedevice.Exposuretotheabsolutemaximumratingsmayaffectdevicereliability.Functionaloperationisnotimpliedatthese

2.直流参数

Symbol

Parameters

Min

（2）

Typ

（1）

Max

（2）

units

conditions

VIL

InputLowvoltage

VCC*0.2

V

VIH

InputHighvoltage

VCC*0.8

V

VOL

Cutputlowvoltage

0.4

V

ICL=10uA

VOL1

RAC,INTOutputlowvoltage

0.4

V

ICH=-10uA

VCH

Outputhighvoltage

VCC-0.4

V

ICL=-1mA

LCC

Vcccurrent（operating）

-playback

-record

15

25

30

40

mA

mA

REXT=∝（3）

REXT=∝（3）

LSS

VccCurrent（standby）

1

10

uA

（3）（4）

LLL

InputLockageCurrent

+1

uA

LHZ

MISOTristatecurrent

1

10

uA

REXT

Outputloadimpedance

5

3.8

KΩ

RANAIN+

ANAIN+inputResist