基于ISD4004语音录放的开题报告

基于ISD4004的语音录放器设计姓名：陈蔚涛申丹廖仲东陈冠林朱智泳班级：08电子技术J4.5课程性质：毕业设计指导老师：盛春明1、系统方案设计1.1设计要求选择ISD4004的语音芯片，设计一个语音录放器。1.2设计基本原理根据设计要求，采用模块化设计。主要有语音芯片模块、控制模块、电源模块、输入输出模块和音频功放模块，添加适当的外围电路，使之能够协调工作，达到较好的录放音效果。设计框图如下：语音录放器模块系统方框图模块描述：方案以语音芯片为核心，采用话筒输入音频信号进行录音，通过开关和单片机控制录音、放音和录音、放音时的相应模式，由于语音芯片推动的音频功放较小，为了加大音量增加一级音频功放，声音通过扬声器输出。音频功放和语音芯片公用一个电源。1.3系统设计方案1.3.1模块方案选择（1）语音芯片选择采用ISD系列语音芯片。美国ISD公司生产的系列语音芯片使用范围最广，相关的设计资料也容易找到。ISD4004系列单片语音录放电路是美国ISD公司的新一代产品,同早期美国ISD公司产品一样,它采用了ISD公司的Chip-Corder专利技术，多级存储技术,既声音无须A/D转换和D/A转换,采用直接模拟量存贮技术,因此能够真实、自然地再现语音、音乐效果声音,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。由于设计成和微处理器通过串行接口控制芯片的方法,使本器件引出端数减到最少。（2）音频功放选择由于ISD4004的内置音频功放的功率较小,声音大概和普通程控电话的免提相当，为了获得较大的声音，本设计外加一级功率放大。音频功放芯片选择LM386LM386芯片简介：LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。（3）电源选择查找资料得知，ISD4004的工作电压为3V单电源工作；而ATMEGA16工作电压范围为4.5V～5.5V。考虑到两者的电压要求，电源选择为自制整流电源。这种方法简单可行,可以得到精确的电压值,而且稳定度高,可以长期使用。（4）控制模块选择ISD控制模块选择ATmega16L2、单元电路2.1语音芯片ISD40042.1.1语音芯片ISD4004简述●单片8至16分钟语音录放●内置微控制器串行通信接口●3V单电源工作●多段信息处理●工作电流25-30mA,维持电流1μA●不耗电信息保存100年(典型值)●高质量、自然的语音还原技术●10万次录音周期(典型值)●自动静噪功能●片内免调整时钟,可选用外部时钟ISD4004系列工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,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因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。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。2.1.2SPI(串行外部接口)ISD4004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ISD4004而言,在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO引脚。协议的具体内容为：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,在两条指令之间则保持为高电平。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,ISD才能开始录放操作。5.指令格式是(8位控制码)加(16位地址码)。6.ISD的任何操作(含快进)如果遇到EOM或OVF,则产生一个中断,该中断状态在下一个SPI周期开始时被清除。7.使用读指令使中断状态位移出ISD的MISO引脚时,控制及地址数据也应同步从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,也允许在一个SPI周期里,同时执行读状态和开始新的操作(即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容)。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。2.1.3语音芯片外部特征（1）ISD4004语音芯片外观ISD4004采用28脚双列直插式塑料封装，其外形与管脚如图：2.1.4ISD语音芯片引脚描述电源:(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,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。地线:(VSSA,VSSD)芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。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电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV，为ISD33000系列相同。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,即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平。串行输入(MOSI)此端为串行输入端，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ISD输入。串行输出(MISO)ISD的串行输出端。ISD未选中时,本端呈高阻态。串行时钟(SCLK)ISD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ISD,在下降沿移出ISD。中断(/INT)本端为漏极开路输出。ISD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周期开始时清除。中断状态也可用RINT指令读取。OVF标志----指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM标志----只在放音中检测到内部的EOM标志时,此状态位才置1。行地址时钟(RAC)漏极开路输出。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行(ISD4004系列中的存贮器共2400行)。该信号175ms保持高电平,低电平为25ms。快进模式下,RAC的218.75μs是高电平,31.25μs为低电平。该端可用于存储管理技术。外部时钟(XCLK)本端内部有下拉元件。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,频率变化在-6/+4%内,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。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时,此端必须接地。自动静噪(AMCAP)当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接1mF的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与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。1mF的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA则禁止自动静噪。2.2LM386音频功放单元电路LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。2.2.1LM386芯片的引脚及功能LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，为了方便电路设计，我们采用塑封8引线双列直插式芯片，引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。如图所示2.2.2LM386芯片的内部结构LM386内部电路原理图如图所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。内部电路见图2.6。第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。表2.7是JRC386D内部阻值表。2.2.3LM386特性静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；工作电压范围宽，4-12Vor5-18V；外围元件少；电压增益可调，20-200；低失真度；2.3控制模块控制模块采用ATMEL公司的ATmega16L单片机芯片。2.3.1ATmega16L基本参数类别：嵌入式-微处理器系列：AVR?ATmega核心处理器：AVR芯体尺寸：8-位速度：8MHz连通性：I2C，SPI，UART/USART外围设备：欠压检测/复位，POR，PWM，WDT输入/输出数：32程序存储器容量：16KB(16Kx8)程序存储器类型：FLASHEEPROM大小：512x8RAM容量：1Kx8电压-电源(Vcc/Vdd)：2.7V~5.5V数据转换器：A/D8x10b振荡器型：内部工作温度：-40°C~85°C封装/外壳：40-DIP(0.600,15.24mm)2.3.2ATmega16L-8PU芯片的引脚及功能VCC电源正GND电源地端口A(PA7..PA0)端口A做为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口B(PB7..PB0)端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口B也可以用做其他不同的特殊功能.端口C(PC7..PC0)端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能.端口D(PD7..PD0)端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对