语音录放器.docx
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语音录放器
语音录放器
2.5语音录放器
2.5.1实训目的和实训器材
1.制作一个基于ISD2560的语音录放器。
2.实训器材
（1）常用电子装配工具。
（2）万用表。
（3）示波器。
（4）ISD2560语音录放器电路元器件，见表2.5.1所示。
表2.5.1ISD2560语音录放器电路元器件
符号
名称
型号
数量
备注
U1
语音录放集成电路
ISD2560
1
R1
电阻器
RTX-0.125W-2kΩ
1
R2
电阻器
RTX-0.125W-470kΩ
1
R3
电阻器
RTX-0.125W-10kΩ
1
R4～R13
电阻器
RTX-0.125W-10kΩ
1
R-PACK10排阻
R1，R15，R17
电阻器
RTX-0.125W-47kΩ
3
R16
电阻器
RTX-0.5W-10Ω
1
R18～R19
电阻器
RTX-0.125W-470Ω
2
C1，C5
电容器
CL-0.22μF/50V
2
C2
电容器
CD11-4.7μF/10V
1
C3
电容器
CD11-1μF/10V
1
C4
电容器
CD11-22μF/10V
1
C6，C7
电容器
CL-0.1μF/50V
2
C8
电容器
CD11-220μF/10V
1
SW1
DIP指拨开关
DIP-10
1
BM
麦克风
驻极体话筒
1
BL
扬声器
16Ω
1
2.5.2ISD2560的主要特性
ISD2560是ISD系列录放语音集成电路之一，内部结构方框图如图2.5.1所示，芯片内部包含有语音电路、大容量E2PROM存储器、功率放大器等等。
录音过程即可以完成语音固化，所录音的内容可以永久保存，能重复录放达10万次。
1．录音
在进行存储操作之前，ISD2560要分几个阶段对输入到话筒BM电路的语音电信号进行调整。
首先将输入的电信号放大到存储电路动态范围的最佳电平，这个阶段由前置放大器、放大器
和自动增益控制电路来实现。
前置放大器通过隔直电容器C1、C2与话筒BM连接（见图2.5.1）。
隔直电容器C1、C2用来去掉交流小信号中的直流成分。
信号的放大分两步完成：
先将语音电信号经前置放大器放大，由模拟输出端（ANAOUT）输出，经C3和R3，加到放大器的输入端，使语音电信号得以进一步放大。
这种结构，使得系统设计更加灵活（尤其是非语音信号的输入），同时提供了一个用于截止低频信号的端子接口电路。
图2.5.1ISD系列单片语音录放集成电路内部结构方框图
自动增益控制电路，能随时跟踪、监视控制放大器输出的音频信号电平，并反馈增益电压，实现对前置放大器的自动增益调节，以便维持进入输入滤波器的信号是最佳的电平。
这样，使录音信号为最佳、最高电平，又可使削波减至最小。
自动增益电路的特性由两个时间来描述，即响应时间与释放时间。
响应时间是指当输入信号增大时，自动增益控制（AGC）用减小增益来响应所需要的时间。
释放时间是指输入信号降低时，使增益增加所需要的时间。
可以通过选择连接在“AGC”管脚的电阻R1和电容器C4的阻容值，来调节响应时间与释放时间的常量。
通常，将前置放大器的增益压缩到20dB左右的范围内，这是为了能补偿各种话筒的特性及各种语音音量的需要；而将动态信号范围增大20dB，是为了保持信号的完整性，以便把削波和其它失真减至最小。
由于模拟信号的存储是采用取样技术，采样频率采用8kHz。
因此需要输入滤波器去掉采样频率的1/2以上的输入频率分量。
输入滤波器的高频截止频率选在3.4kHz以上，要有足够宽的频带，以保证高音质的语音。
输入滤波器是一个五极点低通滤波器，在3.4kHz每个倍频程衰减40dB。
对输入的信号调整后，再将输入波形通过模拟收发器，写入480K模拟存储阵列中。
由8kHz采样时钟取样；并经过电平移位而产生写入过程所需要的高电平，同时补偿隧道效应相关的一些实际因素。
采样时钟也用于存储阵列的地址译码，以便输入信号顺序的写入存储阵列。
2．放音
录入的模拟电压信号，在采样时钟的控制下，顺序地从480K模拟存储阵列中读出，恢复成原样的采样波形。
在输出的通路上，平滑滤波器去掉采样频率分量，恢复原始的语音波形。
采样时钟频率会影响录音的时间长度和录音质量。
提高采样时钟频率，虽然使放音的质量得到了改善，但是录音的时间必然就会减少了许多。
反之亦然，降低取样频率，则增加了录音时间，所付出的代价是降低了录音的质量。
为了解决这些问题，在产品出厂之前，振荡器频率精度的调节优于1.5％。
在调整振荡器的振荡频率时，也同时自动地调整了平滑滤波器的截止频率。
平滑滤波器的输出，通过一个模拟多路开关连接到输出功率放大器的输入端。
语音信号经功放进行功率放大后，从两个输出管脚SP+、SP-直接驱动扬声器BL播放所录制的语音。
扬声器选用16Ω时，其驱动功率约为50～100mW。
对于系统应用，也可以在辅助输入端（AUXIN）输入语音信号，经功放后驱动扬声器BL。
ISD系列的每个E2PROM存储单元，等效于8位存储器。
信号写入存储单元采用闭环方式。
取样保持电路在编程周期内保持数据，并将存储的模拟电压提供给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。
在多次语音信号的写入过程中，电子被“泵入”存储阵列，并使存储电平反馈到比较器。
当比较器的信号，也就是存储单元的输出电压等于取样保持电平时，该存储阵列的编程即行停止。
每一次写入时，使极少量的电荷注入存储单元以建立系统的分辨率，从而保证了最低的充电量。
一个存储单元在写入语音信号的同时，也就自动地消除了这个存储单元原有的语音信号。
3．ISD2560的引脚功能
ISD2560有SOIC、PDIP和TSOP三种封装形式，SOIC、PDIP封装形式引脚端排列如图2.5.2所示。
ISD2560所有模拟电路引脚电压均以内部产生的模拟地为参考，偏置大约为1.5V。
可以在话筒输入端“MIC”（引脚端17）和话筒补偿端“MICREF”（引脚端18）、模拟输入端“ANAIN”（引脚端20）上测量到这个偏置值。
测量值应在内部值的±20mV范围之内。
这些引脚端的连接都应使用电容器耦合，使偏压不受影响。
各引脚端的功能如下：
图2.5.2ISD2560引脚端封装形式（SOIC/PDIP）
MIC（引脚端17）话筒前置放大器输入端。
集成电路内部的前置放大器用于放大1～20mV范围内的信号，是一个增益可控的跨导放大器，输入阻抗10kΩ，最大增益24dB。
一般的驻极体话筒所输出的语音信号电平，己足够驱动该放大器。
由于输入阻抗已知，频率响应的下限由音频信号源和输入耦合电容来确定。
驻极体话筒用0.22μF的耦合电容。
MICREF（引脚端18）麦克风（话筒）补偿端：
麦克风补偿端是话筒前置放器的反向输入端，用来抵消噪声或对ISD2560作共模抑制的输入端。
通常从这个引脚端到模拟地之间连接二只电容（见图2.5.1中的C2）。
这个电容器的容值，和话筒前置放大器的MIC端的耦合电容值要求严格的相同。
话筒的地与话筒的补偿电容的地，要求紧紧靠近。
AGC（引脚端19）自动增益控制端。
在图2.5.1中，AGC引脚端经并联的电阻R1和电容器C4接地。
由这两只元件确定自动增益控制电路的两个时间常量，即响应时间和释放时间。
响应时间由ISD器件内部的电阻和外部电容C4组成的网络确定。
释放时间由两个并联的外部元件即R1、C4的阻容值确定。
通常，R1＝470kΩ，C4＝4.7μF。
ANAOUT（引脚端21）模拟输出端。
该端是话筒前置放大器的直接输出。
在应用中，这个输出端由一只电容器和一只电阻与模拟输入端ANAIN端相连。
ANAIN（引脚端20）模拟输入端。
该端与前置放大器直接相接。
如同话筒输入一样，连接模拟输入和模拟输出的耦合电容器，确定了电路的低端频响。
图2.5.1电路中，耦合电容器C3可以在0.22～1μF选取，R3也可不用，由C3跨接在ANAIN与ANAOUT引脚端上。
（引脚端25）及EOM位：
ISD系列器件对信息的内在寻址，要求一直到信息的终点才知道。
记录周期可以随时通过
信号的上升沿停止。
EOM位（EndofMessageBit）设置在ISD器件的E2PROM存储器中。
当加上
信号脉冲时，放音开始，并且一直继续到找到EOM位时才停止。
ISD系列器件存储阵列的每一行都可以作为起始地址。
存储阵列中每一行有个EOM定位点。
在ISD1000A系列中有640个定位点（4×160=640EOM位）。
如果取样频率等于8kHz，每行的寻址时间为l00ms（毫秒），EOM位的分辨率是25ms。
这样，从信息结束到
信号输出的最大延时是25ms,
为负向信号，时间为12.5ms。
上升沿标志信息结束。
因此，在
处于低电平时，语音仍连续从器件输出，在它的上升沿时停止。
在ISD系列器件中，这些时间参数不是固定的。
在ISDl000A系列中，
也作溢出指示。
放音时如果出现溢出，
端变低并维持到溢出被清除。
如果录音时出现溢出，则
端的信号将传送到器件的
输出端。
（引脚端22，仅ISD2500系列）：
ISD2500系列附加的这一引脚端，主要是将溢出信号和EOM端输出信号分离成为两个引脚，即
端和
端。
这样更有利于多个ISD2500器件的级联应用（即用几片ISD2500连接在一起，实现延长录音时间等需要）。
在ISD2500系列中，
管脚仅在放音中遇到设置的EOM位时才出现一个低脉冲。
而在溢出时，它不输出低脉冲。
在
引脚端，当出现溢出时便输出时间约为6ms的低脉冲。
出现溢出以后，
端（ISD2500的引脚端23）信号经器件内部送至
输出端，也就是所输入的
信号在器件溢出时会出现在
输出端。
采用此种方式是考虑到几只ISD2500器件在级联应用时的需要。
在级联时，每一个器件的
端都连接到下一个器件
端，最后一个器件的
端的处理方法，将在后面详细介绍。
在录音过程中对
的操作：
由于在录音期间
信号保持低电平，在溢出时
端变低并维持在低电平，而不是输出低脉冲。
当
输入端变低时，
端会跟着也变低。
在放音过程中对
的操作：
通常，启动放音操作由
信号的下跳沿控制，然后
再回到高电平。
在这种情况时,
端在溢出时输出一个低脉冲，用来启动级联中的下一个器件。
如果系统在放音期间
信号为连续的低电平，则
引脚端在溢出时变为低电平，并维持在低电平状态，而不是输出低脉冲。
值得注意是：
当出现溢出时，级联中的ISD2500器件的
不作为低脉冲输出。
用设置
位或者使它运行到溢出，可以结束放音。
若是需要输出一个逻辑信号以指示信息已经结束，则可以采用
或
的任意一个输出，也可以用一个两输入端的与门，来实现信息指示。
SP+（引脚端14）和SP-（引脚端15）扬声器输出端。
ISD器件内部的功放，通过SP+、SP-输出语音电流信号，直接驱动扬声器播音。
当扬声器阻抗为16Ω时，输出功率为50mW。
也可以使用更低阻抗或更高阻抗的扬声器，但是会造成音量减小、失真或输出电流超过额定值等。
这两个输出端也可以单端使用，即在SP+或SP-端任意取其一端接扬声器的一端，而扬声器的另一端接地。
但是，绝不允许用导线将SP+和SP-短接起来，也不允许将SP+或SP-接地。
在单端连接驱动扬声器时，建议采用100～220μF的电解电容器串接在扬声器回路中，否则有可能产生很大的直流偏置电流（≥100mA）造成ISD器件的损坏。
当ISD2500系列器件的PD端（引脚端24）为低电平，
端（引脚端27）为高电平（放音）时，扬声器两个输出管脚的平均电压约为1.5V。
当器件在录音或掉电时，扬声器两个输出端将被拉到“地”电位。
扬声器输出端SP+、SP-不能与其它信号并联。
AUXIN（引脚端11）辅助输入端。
当ISD器件处于放音方式，
端为高电平，PD脚为低电平，此时若无放音信号，辅助输入“AUXIN”便可输入其它语音信号，经ISD器件的功放后，驱动扬声器播音。
ISD器件内部的“功放”实则是一个差分放大器，其电压增益小于0dB，输入阻抗对模拟地来讲大约为10kΩ。
因此，器件增设了AUXIN辅助输入端后，便可实现用其它信号源驱动扬声器播放。
、PD、
、
（引脚端23、24、27、25）微处理器接口。
ISD系列器件的
、PD和
引脚端内部都有防抖动电路，可以用轻触式按键开关驱动。
这些输入端的使用很灵活，可以由微处理器来控制。
、PD、
及
引脚端都与TTL电平兼容并可由微处理器系统驱动。
XCLK（引脚端26）外部时钟端。
外部时钟端又叫辅助振荡端。
ISD器件的芯片上包括一个温度补偿的基准振荡器，由它来控制器件的采样速度。
这个振荡不要求外接元件，采样速度取决于内部振荡器电路的分频器。
在通常的情况下，XCLK端接地。
ISD系列器件也可以用外部振荡器（外部时钟）通过XCLK端来驱动ISD器件。
将一个TTL电平的时钟信号接到XCLK端，器件的内部振荡器则会自行关掉，而由外部时钟控制。
进入XCLK引脚端的时钟信号，经过一个由两个触发器组成的分频器，因此要求外部时钟必须两倍于所要求的内部时钟，对外部时钟的占空比无要求。
如果时钟低于设计频率，就可能产生混淆误差。
当时钟高于设计频率时，滤波器仍控制在带宽上限的原始值，也未必有利。
ISD2560外部时钟频率为1024kHz。
A0～A9（引脚端1～10）地址位。
ISD器件可以实现1～600段的录放语音功能，每段录放音都具有一个起始端，该起始地址的选择由A0～A9来确定。
但A6、A7（在ISD2500器件中则是A8、A9）两个地址位同时为高电平时，可选择工作模式，但工作模式未加锁定，只有当〔
为低电位时工作周期启动；工作模式才有效。
如果在下一工作周期没有选择工作模式，则执行通常的地址周期。
因为工作模式没有锁定，所以我们在使用时，地址位A0～A9全部接地。
ISD2500器件共有10个地址线。
具有1024种组合状态。
最前面600个状态作内部存储器的寻址使用，最后256个状态作为操作模式（OPERATIONALMODE，以下简称“OPM”）使用。
在作OPM时，A8、A9必须为高电平。
在使用OPM时，有两点必须注意的：
一是所有的OPM都是从A0地址开始的，然后进入其余的地址空间。
当状态变化时，即使放音状态转到了录音状态，或从录音状态转到了放音状态，或自动进入低功耗状态，地址指针总是自动复零。
第二是OPM的模式位是锁存的，当
下降沿为低电平时，就不再执行OPM。
快速寻址方式位M0（即A0/M0，引脚端1）：
M0是用于控制语音快速存取的，用户不必知道某段语音的具体物理地址，只需知道相对地址，就可以找到该段语音内容，通常M0与M4是一起使用的。
M0的使用，按以下步骤操作：
（1）首先使〔
端、
端及PD端为低电平，除M0、M4为高电平外，其余地址位接低电平，然后接通电源。
（2）使
端接低电平，开始录制几秒钟语音作为第一段语音，
为高电平时结束录音。
（3）采用上述方法，录制第二段语音。
由于M4为高电平，内部的地址不会自动复位，从而第二段语音是紧接着第一段语音的。
（4）以同样的方法录制第三段语音。
录制完毕，将
端接高电位。
（5）将M4悬空，M0接高电平。
这时器件ISD处于语音快速提取状态。
（6）在
端加入一个10μs的负脉冲触发信号，ISD器件便开始按顺序查找语音存储位置。
（7）第一个
脉冲结束后，内部的地址计数器指向第二段的起始地址；如果再加入一个
脉冲，则指向第三段的起始地址。
（8）将A0设置为“0”后，
的负脉冲将使ISD进入放音状态。
放音的起始地址，由地址计数器指向决定。
EOM标志消除位A1/M1（引脚端2）：
A1工作模式可以把顺序地记录的单个信息组合为一个信息段。
只在最后信息段的结尾处设置一个EOM位。
在操作上，这种选择使得在每一段录音工作结束时内部地址计数器禁止增加。
M1是用来消除EOM位的，从而可以使多段语音组成只有一个EOM的一段语音，以下是M1的具体使用方法：
（1）使M4、M1为高电平，
为低电平时，将使器件进入录音状态；
为高电平时，录音结束。
（2）这时地址指针指向第一段语音的最后一个地址，EOM位被记录在存储器相应空间上。
（3）使M4、M1继续保持高电平，
再次为低电平时，将使器件进入一个新的录音周期。
由于地址指针仍然不变，上一段语音的EOM位被消除，
变高电平时，录音过程马上停止。
EOM控制位A2/M2（引脚端3）：
若是A2设置为OPM状态，那么EOM端就无输出。
连续放音控制（循环）位A3/M3（引脚端4）：
若是
为低电平，就可进行连续放音。
地址指针复位控制A4/M4（引脚端5）：
M4作为OPM时，将使地址指针复位迫零。
当A4作为OPM时，只有录放音状态转换时，或执行了PD过程后，地址才能复位。
当A4为高电平，
为低电平时，才进行放音状态；当遇到EOM位时，放音马上结束。
当下一次
为负电平出现时，将播放第一段语音。
若要重新播放第一段语音，必须再操作一次PD，使地址指针复位。
选择位A5/M5（引脚端6）：
通常，
的下降沿启动（即在
端加入负脉冲触发信号），ISD便进入放音状态。
为低电平，启动录音状态。
但当A5为OPM位时，是用
的低电平来控制放音状态的。
按键控制方A6/M6（引脚端7）：
当M6为OPM时，需要用三个按键才能控制ISD的录放音状态。
这时
作启动／暂停键；PD作停止／复位键，EOM作为工作状态指示灯驱动输出端（接发光二极管LED）。
VCCD（引脚端28）和VCCA（引脚端16）电源端：
可以将VCCD、VCCA同时接+5V。
如果电源电压低于+3.5V时，ISD器件便立即进入录音禁止状态；如果此时正在放音状态，即扬声器播音音量太低，无法听清，甚至无音。
VSSD（引脚端12）、VSSA（引脚端13）电源地：
使用时，VSSD、VSSA同时接地。
NC空脚：
NC为没用的空脚，使用时应悬空，不与电路中任何器件相连接。
2.5.3ISD2560语音录放器电路结构
采用ISD2560的语音录放器电路如图2.5.3所示，语音信号从麦克风输入，输出端连接一个16Ω扬声器。
、PD、
控制引脚端可以采用按键或者通过微控制器控制。
A0～A9（引脚端1～10）地址位由DIP开关控制。
电源电压可采用电池或者由全桥整流器整流滤波后提供。
选择地址是选用双封直插式开关SW1（DIP-10）；R4～R13为上拉电阻；C6、C7用于VCCA、VCCD电源滤波；
图2.5.3ISD2560语音录放器电路原理图
2.5.4ISD2560语音录放器制作步骤
1．印制电路板制作
按印制电路板设计要求，设计ISD2560语音录放器电路的印制电路板图，一个参考设计[32]如图2.5.4所示，选用两块12cm×12cm双面环氧敷铜板。
印制电路板制作过程请参考“全国大学生电子设计竞赛技能训练”一书。
（a）元器件布局图
（b）印制电路板顶部图
（c）印制电路板底部图
图2.5.4ISD2560语音录放器电路的印制电路板图
2．元件焊接
按图2.5.4（a）所示，将元器件逐个焊接在印制电路板上，元件引脚要尽量的短。
U1最好采用插座安装，插座的缺口标记与印制电路板相应标记对准，注意不要装反。
集成电路插入插座时也要注意不要插反。
一般制作好的语音录放器电路，无须调试即可正常工作。
元件焊接方法与要求请参考“全国大学生电子设计竞赛技能训练”一书有关章节。
注意：
元器件布局图所有元器件均未采用下标形式。
3．外部元件的选用应注意的一些问题
（1）旁路电容
在VCCD、VCCA电源（引脚端28、16）与地之间需要有低电抗的高频旁路电容（C7、C6），推荐的电容值为0.1μF。
此外，用一个10～470μF的大容量电容器作低频旁路。
（2）耦合电容器．
用作耦合电容器的电容，必须注意它的耐压、漏电和电容值。
容值的确定与所要求的频响有关。
（3）电阻
在ISD系列器件的应用中，任何涉及增益或电平的关键部分是不用电阻的。
在电路中，对电阻的型号要求不严，电阻的误差允许在±10％左右。
（4）电池
ISD系列器件都可以在4.5～6.5V下正常工作。
可使用电池来作电源VCC。
如果电压高于上述范围，应设法（如采用7805三端固定稳压器）将电压降到4.5～6V电压。
采用电池做电源时，必须考虑到电池的内阻会随着电池的放电而迅速增大。
如果去耦电路不能使内阻降低，那么录音的质量就会下降。
标准的ISD系列器件一般是采用单一的5V电源，并要求电源内阻低且无噪音，这个条件尤其是在录音过程中相当重要。
在VCCA引脚端出现的任何高频噪音，都会被录进ISD器件的存储阵列中。
因此，要求电源的连接线要尽量短，导线的直流电阻或电感要尽可能地小。
有些电源本来就内含噪声，如市售的交流整流稳压电源，使用时必须加强直流滤波，如增设0.01μ.F和470μF滤波电容器。
ISD系列器件的电源和地线都有2个引脚端，分开连接，使ISD器件内部的模拟部分和数字部分之间的干扰减到最小。
电源线和地线的印制电路板布置方法如图2.5.5所示。
图2.5.5ISD器件印制电路板的电源和地的布线
（5）扬声器
ISD2560系列器件要求扬声器的最小阻抗为16Ω。
8Ω的扬声器也可以使用，但会产生较高的音量并增加失真，同时使电源的总电流加大。
采用一只8Ω～20Ω的电阻与扬声器串联，可以控制音量，并减小电源总电流。
扬声器的质量对音频性能有非常大的影响。
在某些应用场合，也可以采用压电陶瓷片或耳机。
（6）话筒
ISD系列器件选用驻极体话筒。
驻极体话筒的连接方法有多种。
ISD系列器件有两个话筒输入端MIC和MICREF。
这两个引脚端对应于芯片上的前置放大器是差分输入端。
无偏置话筒可以直接跨接在这两个引脚端上，不需要耦合电容器。
当使用驻极体话筒时，它的信号必须以外部电路的“地”为基准，需要偏置电路。
这样会产生两个外部噪声源。
噪声可以来自VCC电源和印刷电路板接地电流。
MICREF引脚端在驻极体应用中抑制噪声的输入端。
减少噪声还必须依赖好的印制电路板材料和合乎规范的设计。
要求VCCD和VCCA引脚端有合适的旁路电容器。
当使用无偏置话筒（即自偏置话筒）时，这两个噪声源也就消除了。
驻极体话筒的接线端子有二端的和三端的，两端话筒的连接方法如图2.5.6所示，三端驻极体话筒的连接如图2.5.7所示。
驻极体话筒差分接入话筒前置放大器的连接电路如图2.5.8所示，由于R3和R4阻值相等，因此对抑制话筒前置放大器的噪声有积极作用。
自偏置话筒连接电路如图2.5.9所示。
除了驻极体话筒外，晶体、压电陶瓷和动圈话筒（以及晶体头戴受话器）在使用时，可直接连到ISD器件的MIC端和MICREF端上。
一般晶体和动圈话筒输出的信号电平较大，而压电陶瓷话筒的要小些。
压电扬声器在作话筒使用时，必须安装在一块硬纸板上。
图2.5.6两端话筒的连接图图2.5.7三端话筒的连接图
图2.5.8驻极体话筒的差分电路
图2.5.9自偏置话筒连接电路
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