數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、 畢業(yè)論文題 目： 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者姓名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 二0一二 年 六 月 畢業(yè)論文選題表 2012年3月7日學(xué)生姓名 專業(yè)電子信息工程年級(jí)2009級(jí)學(xué)號(hào) 題目：數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師姓名 指導(dǎo)教師職稱 主要研究?jī)?nèi)容1數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展前景2語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的缺陷和面臨的問題主要參考文獻(xiàn)1金華，李宗福. 單片機(jī)在語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)中的應(yīng)用. 黃石高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào) 2000. 1-2 2黃恩，魏煒，鄒鋆濤，向海飛. 數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中國(guó)儀器儀表. 2003. 03. 1-1. 3蘇文平.新型電

2、子電路應(yīng)用實(shí)例精選.北京航空航天大學(xué)出版社.1991.11 23-254戴伏生.基礎(chǔ)電子電路設(shè)計(jì). 國(guó)防工業(yè)出版社.2001. 12. 57-5指導(dǎo)教師意見 年月日系部意見 年月日畢業(yè)論文任務(wù)書教研室電子教研室指導(dǎo)教師 職稱高級(jí)講師學(xué)生姓名 專業(yè)（班級(jí)）2009級(jí)電子信息工程論文題目數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文內(nèi)容和目標(biāo)內(nèi)容：語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的缺陷和面臨的問題；目標(biāo)：語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)發(fā)展的對(duì)策措施論文要求論點(diǎn)力求緊密結(jié)合社會(huì)實(shí)際需要，鮮明而具有特色。論據(jù)充分明了，論述層次明晰，邏輯嚴(yán)密，結(jié)論準(zhǔn)確，措施可行。進(jìn)度安排1、2012年3月初在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下最終確定選題，做好資料收集工作。2、

3、2012年4月1號(hào)在校在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下完成畢業(yè)論文的初稿。3、2012年5月28號(hào)將畢業(yè)論文初稿（電子稿）交指導(dǎo)教師評(píng)審（發(fā)到系部郵箱）。4、2012年6月1號(hào)論文定稿、上交論文教研室審核 室主任簽名：年月日系部審核 系主任簽名：年月日說明：此表一式兩份，系部和學(xué)生各留存一份 畢業(yè)論文開題報(bào)告論 文 題 目數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文小組成員序號(hào)姓名班級(jí)聯(lián)系電話手機(jī)電子信箱/qq1 電信班1 234選題背景、意義廣為流傳的語音存儲(chǔ)手段為磁帶記錄，其體積大、使用不便,在電子與信息處理的使用中受到許多限制。所以數(shù)字化存儲(chǔ)方式是未來發(fā)展的趨勢(shì)。我們?cè)谶@里將語音信號(hào)的存儲(chǔ)建立在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，

4、同時(shí)為了降低噪聲提高語音質(zhì)量和音量的穩(wěn)定性采用了帶通濾波器和自動(dòng)增益控制電路2研 究?jī)?nèi) 容目前，磁帶語音錄放系統(tǒng)因其體積大、使用不便,在電子與信息處理的使用中受到許多限制。數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的基本原理是對(duì)語音的錄音與放音的數(shù)字化控制。技術(shù)路 線、方案通過后級(jí)補(bǔ)償電路對(duì)輸出的語音信號(hào)進(jìn)行了的校正，回放語音清晰。系統(tǒng)具有自動(dòng)錄音、手動(dòng)錄音、錄放音時(shí)間顯示以及掉電后保護(hù)語音信號(hào)等功能。計(jì) 劃進(jìn) 度3月6日 3月21日 確定論文題目，并查閱資料3月22日 4月17日編寫論文大綱4月18日 5月23日根據(jù)資料可效性和可行性進(jìn)行論文寫作5月24日 5月28日對(duì)論文細(xì)節(jié)進(jìn)行修改5月29日 6月1日 論

5、文上交指導(dǎo)處并根據(jù)指導(dǎo)進(jìn)行最后修改指導(dǎo)老師意見（對(duì)本選題的深度、廣度及工作量的意見和對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的預(yù)測(cè)）指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日開題組意 見組長(zhǎng)簽名: 年 月 日數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要傳統(tǒng)的磁帶語音錄放系統(tǒng)因其體積大、使用不便,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(chǔ)與回放系統(tǒng)將完全可以替代它。數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的基本原理是對(duì)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(chǔ)時(shí)間，提高存儲(chǔ)器的利用率，采用了非失真壓縮算法對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行壓縮后再存儲(chǔ)，而在回放時(shí)再進(jìn)行解壓縮，同時(shí),對(duì)輸入語音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波以抑制雜音和干擾,

6、從而確保了語音回放的可靠質(zhì)量。該系統(tǒng)對(duì)語音信號(hào)分別采用了數(shù)據(jù)采集直寸直取,欠抽樣采樣和自相似增量調(diào)制等三種方法,完成了對(duì)語音信號(hào)32.7s、65.5s、147.4s的存儲(chǔ)與回放。前直agc將語音信號(hào)控制在a/d轉(zhuǎn)換器可控制的范圍之內(nèi)以保證話音信號(hào)采樣不失真。帶通濾波器合理的通帶范圍有效的濾除了帶外噪聲，減小了混疊失真。通過后級(jí)補(bǔ)償電路對(duì)輸出的語音信號(hào)進(jìn)行了的校正，回放語音清晰。系統(tǒng)具有自動(dòng)錄音、手動(dòng)錄音、錄放音時(shí)間顯示以及掉電后保護(hù)語音信號(hào)等功能?！娟P(guān)鍵詞】數(shù)字化存儲(chǔ)，回放，數(shù)字濾波，采樣，模/數(shù)轉(zhuǎn)換，校正 目 錄摘要71 緒言91.1課題背景91.2課題研究的目的和意義91.3國(guó)內(nèi)外概況92

7、方案比較與論證102.1方案一102.1.1語音編碼方案：102.1.2 a/d、d/a及存儲(chǔ)芯片的選擇112.2方案二112.2.1控制方式112.2.2放大器及a/d、d/a芯片的選擇122.3方案三123系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)134 電路設(shè)計(jì)144.1拾音器144.2放大器的設(shè)計(jì)164.3有源帶通濾波器設(shè)計(jì)164.4單片機(jī)at89c51和ad574 的接口原理174.5 存儲(chǔ)器184.5.1程序存儲(chǔ)器184.5.2存儲(chǔ)器的選取194.6 對(duì)數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的校正205 軟件設(shè)計(jì)216 總結(jié)與展望237 致 謝248 參考文獻(xiàn)241 緒言 本文闡述了數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的研究背景、現(xiàn)狀及

8、發(fā)展方向，明確指出了傳統(tǒng)的語音存儲(chǔ)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(chǔ)與回放系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展前景。1.1課題背景數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(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(jiǎn)單等特點(diǎn)。因而在各類公共設(shè)施、智能儀表、家用電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用1。該系統(tǒng)目前有多種方案可以實(shí)現(xiàn)，其中采集成語音芯片是一種較簡(jiǎn)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(shí)間固定等。本系統(tǒng)采用另外一種方案，以at89c51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一套可靈活實(shí)現(xiàn)錄、放音，音量自動(dòng)控制的新的語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)。1.2課題研究的目的和意義目前，廣為流傳的語音存儲(chǔ)手段為磁帶記錄，其

9、體積大、使用不便,在電子與信息處理的使用中受到許多限制。所以數(shù)字化存儲(chǔ)方式是未來發(fā)展的趨勢(shì)。我們?cè)谶@里將語音信號(hào)的存儲(chǔ)建立在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，同時(shí)為了降低噪聲提高語音質(zhì)量和音量的穩(wěn)定性采用了帶通濾波器和自動(dòng)增益控制電路2。1.3國(guó)內(nèi)外概況自從愛迪生1877年發(fā)明留聲機(jī)以來，音響技術(shù)已有百余年的發(fā)展歷史，這期間，記錄存儲(chǔ)各種聲音的載體，傳輸與播放語音技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異。該系統(tǒng)采用單片機(jī)對(duì)錄音、放音、快進(jìn)、暫停等功能實(shí)現(xiàn)控制，用dsp技術(shù)對(duì)語音信息進(jìn)行處理，用flash rom 技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，提高了語音的回放質(zhì)量和延長(zhǎng)了存儲(chǔ)時(shí)間，與盒式磁帶錄音機(jī)相比避免了機(jī)械傳動(dòng)噪音，音質(zhì)好，功耗低，具有時(shí)鐘功

10、能，而且人機(jī)界面友好，又用中斷方式控制錄音、放音的過程，實(shí)現(xiàn)了語音存儲(chǔ)與回放的數(shù)字化3。2方案比較與論證2.1方案一2.1.1語音編碼方案：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(hào)經(jīng)麥克風(fēng)和高頻放大器轉(zhuǎn)換成有一定幅度的模擬量電信號(hào),然后再轉(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(hào)最高頻率的兩倍， 由于語音信號(hào)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(chǔ)與壓縮率來考慮，模型參數(shù)表示法明顯優(yōu)于信號(hào)波形表示法4。但要將之運(yùn)用于單片機(jī)，顯然信號(hào)波形

11、表示法相對(duì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)?；谶@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(luò)技術(shù)，但是算法復(fù)雜，目前的單片機(jī)速度底，難以實(shí)現(xiàn)。結(jié)合實(shí)際情況，提出以下幾種可實(shí)現(xiàn)的方案。（1）短時(shí)平均跨零記數(shù)法 該方案通過確定信號(hào)跨零數(shù)，將語音信號(hào)編碼為數(shù)字信號(hào)，常用于語音識(shí)別中。但對(duì)于單片機(jī)，由于處理數(shù)據(jù)能力底，該方法不易實(shí)現(xiàn)。（2）實(shí)時(shí)副值采樣法 采樣過程如圖2.1所示。抽樣量化存儲(chǔ)圖2.1 采樣過程 具體實(shí)現(xiàn)包括直存取法、欠抽樣采樣法、自相似增量調(diào)制法等三種基本方法。其中第三種實(shí)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(diǎn)，又同時(shí)兼有pcm編碼誤差較小

12、的優(yōu)點(diǎn)，編碼誤差不向后擴(kuò)散。2.1.2 a/d、d/a及存儲(chǔ)芯片的選擇單片機(jī)語音生成過程,可以看成是語音采集過程的逆過程,但又不是原封不動(dòng)地恢復(fù)原來的語音,而是對(duì)原來語音的可控制、可重組的實(shí)時(shí)恢復(fù)。在放音時(shí),只要依原先的采樣直經(jīng)d/ a 接口處理,便可使原音重現(xiàn)。（1）a/d轉(zhuǎn)換芯片的選擇 根據(jù)題目要求采樣頻率fs=8khz，字長(zhǎng)=8位，可選擇轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過125s的八位a/d轉(zhuǎn)換芯片。目前常用的a/d轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的方法有多種，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12位逐次比較型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(diǎn)，

13、并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的a/d轉(zhuǎn)換5。（2）d/a轉(zhuǎn)換芯片的選擇 d/a轉(zhuǎn)換芯片的作用是將存儲(chǔ)的數(shù)字語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬語音信號(hào)，由于一般的模擬轉(zhuǎn)換器都能達(dá)到1s的轉(zhuǎn)換速率，足夠滿足題目的要求，故我們?cè)诖诉x用了通用d/a轉(zhuǎn)換器dac0832。（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選擇 當(dāng)采樣頻率s=8khz，字長(zhǎng)為8位時(shí)，一秒鐘的語音需要8k字節(jié)的存儲(chǔ)空間，則存儲(chǔ)器至少需要有80k容量。在這里我們選用閃速存儲(chǔ)器at29c040作為存儲(chǔ)器，一片該芯片可存儲(chǔ)60秒鐘的語言。2.2方案二 系統(tǒng)采用mcs-51系列單片機(jī)，擴(kuò)展256kb的外部ram數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（采用分頁存儲(chǔ)技

14、術(shù)），采用dpcm方式壓縮數(shù)據(jù)，另外采用了兩只立體聲話筒作輸入，經(jīng)差分放大，用性能良好的五階契比雪夫帶通濾波器，及校正電路的使用6。2.2.1控制方式控制器采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)人機(jī)界面好，并且具有一定的可編程能力 對(duì)于語音信號(hào)（最高頻率約為3.4khz，8khz采樣頻率），6mhz晶振頻率的8031以足以勝任（每個(gè)采樣周期125，相當(dāng)于125/2=62個(gè)機(jī)器周期，平均執(zhí)行31條指令）。2.2.2放大器及a/d、d/a芯片的選擇 為減少系統(tǒng)噪音電平，增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，防止阻塞失真等，本放大器中設(shè)置自動(dòng)增益控制電路。其有模擬和數(shù)字兩種實(shí)現(xiàn)方式。數(shù)字式精度高，控制范圍大但比模擬試復(fù)雜，因此本方案采

15、用傳統(tǒng)的模擬試agc來實(shí)現(xiàn)。采用tda2030a作為功率放大可驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲，并具有一定的功率余量7。a/d,d/a及存儲(chǔ)芯片的選擇：由于題目要求語音信號(hào)的最高頻率為4khz，根據(jù)nyquist定理，采樣頻率取=8khz（周期=125）,即可無失真的恢復(fù)原語音。在無特殊要求下，字長(zhǎng)選取八位即可，但考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性所以采用了轉(zhuǎn)換時(shí)間為此35的ad574。根據(jù)同樣的分析，變換頻率選取8khz，采用dac0832。存儲(chǔ)器采用256kb ram可用628256實(shí)現(xiàn)。2.3方案三該方案以單片機(jī)8031為核心器件，以128kbram陣列為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8031的典型時(shí)鐘為6mhz指令周期為可以在要求的12

16、5采樣間隔執(zhí)行系統(tǒng)工作還可同時(shí)對(duì)a/d轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行增量調(diào)制或差分脈碼調(diào)制8。和dpcm是兩種語音壓縮編碼技術(shù)，可分別將語音速率由64kb/s壓縮到8kb/s和32kb/s。另外，為加長(zhǎng)錄音與回放時(shí)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(chǔ)模式，可將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間擴(kuò)展至128kb，以128kb空間存儲(chǔ)pcm碼、和dpcm碼，語音回放時(shí)間可達(dá)16s、32s和128s，達(dá)到題目要求。以上三種方案均有其可取和不足之處，考慮到其易行性、簡(jiǎn)便性等多種因素決定采取第一種方案。3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的基本思想是通過拾音器將聲音

17、信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，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(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（a/d）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過單片機(jī)控制將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換（d/a）轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)放大再揚(yáng)聲器或耳機(jī)上輸出。整個(gè)系統(tǒng)框架圖如圖3.1所示：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(jī)電源電路89c51單片機(jī)鍵盤設(shè)定存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)顯示增益放大器拾音器圖3.1 整體框圖 系統(tǒng)組成如圖所示,由輸入通道、at89c51單片機(jī)和輸出通道三部分組成。輸入通道部分由拾音器、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(jí)放大電路組成9。拾音器輸出的毫伏信號(hào)實(shí)測(cè)其范圍約為2025

18、mv，此電信號(hào)太小不能夠進(jìn)行采樣，后級(jí)a/d轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為05v，語音信號(hào)的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為200倍左右，此處將信號(hào)通過一增益為46db的放大器，將其放大到伏特量級(jí)，輸出級(jí)放大電路亦采用這種電路，兩級(jí)放大電路都采用增益可調(diào)的典型電路?？紤]到語音信號(hào)的固有特點(diǎn)，將低于300hz和高于3.4khz的分量濾掉后語音質(zhì)量仍然良好。此處將其通過一增益為46db的放大器，因此，將帶通濾波器設(shè)計(jì)為典型的300hz3.4khz,輸出級(jí)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

19、信號(hào)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。4 電路設(shè)計(jì)4.1拾音器拾音器是一種聲傳感器，聲傳感器是把外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。它在通訊、噪聲控制、環(huán)境檢測(cè)、音質(zhì)評(píng)價(jià)、文化娛樂、超聲檢測(cè)、水下探測(cè)和生物醫(yī)學(xué)工程及醫(yī)學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用10。它的種類很多，按其特點(diǎn)和頻率等，將它劃分為超聲傳感器、聲壓傳感器和聲表面波傳感器等。單純的磁性拾音器工作的電學(xué)原理為當(dāng)聲音在銅絲繞制的線圈內(nèi)震動(dòng)切割被該線圈所纏繞的磁芯產(chǎn)生的磁感線時(shí)，線圈內(nèi)感應(yīng)出電信號(hào)并流出。感應(yīng)電流的強(qiáng)弱取決于切割磁感線的多寡（振幅）、切割頻率（震動(dòng)頻率）和磁感線自身的強(qiáng)弱。 拾音器包

20、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(dǎo)體等11。電磁式拾音頭，用電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械振動(dòng)變換成電信號(hào)的幅度響應(yīng)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(dòng)圈式，耦合在磁鋼上的稱動(dòng)磁式。此外，也有將唱針耦合在銜鐵上的稱為動(dòng)鐵式，也稱可變磁阻式。在本設(shè)計(jì)中決定采用動(dòng)圈式拾音器4.2放大器的設(shè)計(jì)（） 增益放大器拾音器輸出的毫伏信號(hào)實(shí)測(cè)其范圍約為2025mv.此電信號(hào)太小不能夠進(jìn)行采樣，后級(jí)a/d轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為05v，語音信號(hào)的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為200倍左右，此處將信號(hào)通過一增益為46db的放大器，將其放大到

21、伏特量級(jí)，輸出級(jí)放大電路亦采用這種電路，兩級(jí)放大電路都采用增益可調(diào)的典型電路12。為了將從拾音器獲得的微弱語音信號(hào)放大,采用兩極高輸入阻抗的同向放大器,電路圖如圖所示,每級(jí)放大器的放大倍數(shù)按下式計(jì)算:圖4.1 增益放大器（）輸出放大器經(jīng)帶通濾波器輸出的聲音回放信號(hào)，其幅度為05v，足以用耳機(jī)來接收聽，可不接任何放大器。但考慮到實(shí)際中經(jīng)常回用到喇叭外放，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13。電路如圖4.1。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

22、，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(duì)地短路圖4.2 輸出放大器4.3有源帶通濾波器設(shè)計(jì)濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過同時(shí)抑制(或大為衰減)無用頻率信號(hào)的電子裝置。工程上常用它來作信號(hào)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(yùn)放獲得了迅速發(fā)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(diǎn)14。此外，由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗又底，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(yùn)放的帶寬有限，所以目前有源濾波電路的工作頻率

23、難以作的很高，這是它的不足之處。對(duì)于幅頻響應(yīng)，通常把能夠通過的信號(hào)頻率范圍定義為通帶，而把受阻和衰減的信號(hào)頻率范圍定義為阻帶，理想濾波電路在通帶內(nèi)應(yīng)具有零衰減的幅頻響應(yīng)和線形的相位響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)應(yīng)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、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。通常用幅頻響應(yīng)來表征一個(gè)濾波器的特征，欲使信號(hào)通過濾波器的失真很小，則相位和延時(shí)響應(yīng)亦須考慮。當(dāng)相位響應(yīng)作線性變化，即時(shí)延響應(yīng)為常數(shù)時(shí)，輸出信號(hào)才可能避免失真。濾波電路 圖4.3， (s=)這里為傳遞函數(shù)的模，為其相位角。延時(shí)向量： 聲音信號(hào)經(jīng)動(dòng)圈拾音器轉(zhuǎn)有源濾波器換成電壓信號(hào)，通過前

24、級(jí)放大，在對(duì)其進(jìn)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，選定該濾波器的通帶范圍為300hz3.4khz.其作用是： 保證3003400hz的語音信號(hào)不失真的通過濾波器； 濾除帶外的低頻信號(hào)，以減少帶外功頻等分量的干擾，大大減少噪聲影響，該下限頻率可下延到270hz左右；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，4.4單片機(jī)at89c51和ad574 的接口原理ad574 和單片機(jī)系統(tǒng)的基本組成主要有單片機(jī)、a / d 轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)接口。其中單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部分, 主機(jī)通過接口啟動(dòng)單片機(jī)工作, 以使cpu資源向其它請(qǐng)求開放。單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)以啟動(dòng)a /d 轉(zhuǎn)換

25、器進(jìn)行采樣, 然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入雙端口sram22。當(dāng)ram中的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí), 單片機(jī)向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。主機(jī)接到請(qǐng)求后進(jìn)入中斷服務(wù)程序,并向單片機(jī)發(fā)出命令,以決定是否繼續(xù)采樣,同時(shí)將sram內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在連接上應(yīng)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2 所示是一個(gè)a/ d 轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的at89c51接口電路。其中,ad574 是1 個(gè)完全的單片式12位逐次比較型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(shí)鐘, 因此不需要外部電路和時(shí)鐘就可全速工作,

26、 是一種比較常用的中速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(yīng)用領(lǐng)域。at89c51 單片機(jī)是mcs - 51的典型代表。由于該接口系統(tǒng)要求各路信號(hào)測(cè)量同步, 即同時(shí)啟動(dòng)各a / d 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換23。因此, 8031必須完成同時(shí)啟動(dòng)、分別讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果的任務(wù)?，F(xiàn)將at89c51 的主要任務(wù)分述如下:(1) 接收主機(jī)的采樣命令。即利用p1. 7 口并采用查詢方式等待主機(jī)發(fā)出采樣命令, 當(dāng)其為低電平時(shí),啟動(dòng)采樣過程。(2) 啟動(dòng)采樣。at89c51 利用p2. 7 經(jīng)過反相后控制ad574 的讀出和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制線r / c

27、 , 并再經(jīng)過與非門和反相器來控制片選線cs(低電平有效) 。當(dāng)p2.7 為高電平時(shí),所有ad574 都處于待啟動(dòng)狀態(tài), 即設(shè)定各ad 的啟動(dòng)地址均#ffffh。at89c51 的wr、rd 經(jīng)過與非門接到ad574 的使能端,任意有效信號(hào)都會(huì)使能ad。(3) 讀取并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果。所有ad 轉(zhuǎn)換結(jié)束與否的判斷均由p1 口的低4 位來進(jìn)行,當(dāng)?shù)? 位均為低電平時(shí), 表示所有轉(zhuǎn)換都已結(jié)束。需要對(duì)轉(zhuǎn)換器分配地址,以逐一讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。進(jìn)行讀取操作時(shí),地址應(yīng)為對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器單元的操作地址, 因?yàn)榇鎯?chǔ)器單元地址的末尾2 位數(shù)依次為00、01、10、11 , 因此,對(duì)單元操作也就是表示對(duì)相應(yīng)編號(hào)的a / d 轉(zhuǎn)

28、換器進(jìn)行了讀操作。這種方式可以使系統(tǒng)所能操作的a /d 數(shù)達(dá)10 片之多。(4) 向主機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)。在當(dāng)前存儲(chǔ)區(qū)滿后,要向主機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求, 以向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。因?yàn)槊恳淮鎯?chǔ)區(qū)為1kb , 所以, 利用存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí), p2.2 的狀態(tài)可以判斷是否已被完全占用。在圖2 中,由于ad574 片內(nèi)有時(shí)鐘,故無需外加時(shí)鐘信號(hào)。該電路采用單極性輸入方式, 可對(duì)010v或020v模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位從d11d4 輸出,低4 位從d3d0 輸出,并且直接和單片機(jī)的數(shù)總線相連。轉(zhuǎn)換遵循左對(duì)齊原則,d3d0 應(yīng)接單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的高半字節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)a /d 轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出, ad574 的片

29、選信號(hào)cs 由地址總線的次低位a1( p0. 1) 提供, 在讀寫時(shí),a1 應(yīng)設(shè)置為低電平。ad574 的ce 信號(hào)由單片機(jī)的wr 和a7( p0. 7) 經(jīng)一級(jí)或非門產(chǎn)生。r /c 則由rd 和a7 經(jīng)一級(jí)或非門提供?？梢娫谧x寫時(shí),a7亦應(yīng)為低電平。輸出狀態(tài)信號(hào)sts 接到p3. 2 端可供單片機(jī)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(shí)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。4.5存儲(chǔ)器4.5.1程序儲(chǔ)存器程序存儲(chǔ)器用于存放編好的程序、表格和常數(shù)。程序存儲(chǔ)器的尋址范圍可以有64kb與此相應(yīng), 程序存儲(chǔ)器的編址自0

30、000h開始,最大可至ffffh。程序存儲(chǔ)器的編址規(guī)律為；先片內(nèi)、后片外，片內(nèi)、片外連續(xù)，兩者一般不作重疊。對(duì)于片內(nèi)有程序存儲(chǔ)器的芯片，cpu的控制器專門提供一個(gè)控制信號(hào)ea來區(qū)分，當(dāng)ea為無高電平時(shí)，復(fù)位后單片機(jī)先執(zhí)行片內(nèi)有程序存儲(chǔ)器中程序，當(dāng)程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容超過offfh時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器的程序而當(dāng)指令，當(dāng)ea為低電平時(shí)，將強(qiáng)行執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器中的程序。此時(shí)多在片外程序存儲(chǔ)器中存放調(diào)試程序，使計(jì)算機(jī)工作在調(diào)試狀態(tài)。這里應(yīng)該注意的是，片外程序存儲(chǔ)器存放調(diào)試程序的部分，其編址與片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的編址是可以重疊的，就借ea的換接可實(shí)現(xiàn)分別訪問。在程序存儲(chǔ)器中，有7個(gè)單元具有特殊用途

31、。0000h0002h：是所有執(zhí)行程序的入口地址，89c51單片機(jī)復(fù)位后，cpu總是從0000h單元開始執(zhí)行程序。0003h：外部中斷0入口。000bh：定時(shí)/計(jì)數(shù)器0溢出中斷入口。0013h：外部中斷1入口。001bh：定時(shí)/計(jì)數(shù)器1溢出中斷入口。0023h：串行口中斷入口。002bh：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2溢出或t2ex端負(fù)跳變。使用時(shí)，通常在這些入口地址處存放一條絕對(duì)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，或者從0000h起始地址跳轉(zhuǎn)到用戶設(shè)計(jì)的初始程序上。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有16位，尋址范圍也可達(dá)64kb。故片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量可大到與程序存儲(chǔ)器一樣，其編址自0000h開始

32、,最大可至ffffh。89c51單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ram和特殊功能寄存器sfr：前者有128個(gè)字節(jié)，其編址為00hffh，可以讀、寫任何數(shù)據(jù)；后者也占128個(gè)字節(jié)，其編址位80hffh；兩者連續(xù)而不重疊。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量很小，常需擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。如擴(kuò)展少量片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，容量不超過256個(gè)單元，則也可按8位二進(jìn)制數(shù)編址，自00h開始，最大可至ffh。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器又可分為工作寄存區(qū)、位尋址區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖器區(qū)等三個(gè)區(qū)域。工作寄存器區(qū)在低128b的內(nèi)部ram中，前32個(gè)單元（地址為00h1fh）為通用工作寄存器區(qū)，共分為四組（寄存器0組、1組、2組、3組），每組8個(gè)工作寄存器由

33、r0r7組成，共占32個(gè) 單元。選用哪一組由程序狀態(tài)字psw中的rs1、rs0這兩位的設(shè)置決定，若程序并不需要四個(gè)4組工作寄存器，那么剩下的工作寄存器可作一般的存儲(chǔ)器來使用。位尋址區(qū)20h2fh的16個(gè)單元為位尋址區(qū)，該區(qū)的每個(gè)單元都被賦予了一個(gè)位地址，每個(gè)單元8位，共128位。其位尋址范圍為00h7fh。位尋址區(qū)的每一位都可當(dāng)作軟件觸發(fā)器，由程序直接進(jìn)行處理。程序中通常把各種程序狀態(tài)標(biāo)志、位控變量設(shè)在位尋址區(qū)。同樣，位尋址區(qū)的ram單元也可作為一般的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器按字節(jié)單元使用。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)30h7fh是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用戶ram區(qū)，共80個(gè)單元。(3)特殊功能寄存器累加器a 累加器a是一個(gè)最常用的8

34、位特殊功能寄存器，它既可用于存放操作數(shù)，也可用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果。大部分單操作數(shù)指令的操作數(shù)就取自累加器。用acc表示a的符號(hào)地址。寄存器b 寄存器b是一個(gè)8位寄存器，主要用于乘法和除法的運(yùn)算。乘法運(yùn)算時(shí)，b中存放乘法，乘法操作后，乘積的高8位又存于b中；除法運(yùn)算時(shí)，b中存放除數(shù)，出發(fā)操作后，b中又存放余數(shù)。在其他指令中，寄存器b可作為一般的寄存器使用，用于暫存數(shù)據(jù)。4.5.2存儲(chǔ)器的選取在數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放的設(shè)計(jì)中可用at29c040 flash存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)時(shí)間，at29c040具有在線可擦寫、非揮發(fā)性、信息保存可靠、存儲(chǔ)容量大等優(yōu)點(diǎn)，每片的容量為512k字節(jié)，它是國(guó)外最新產(chǎn)品，該產(chǎn)品的

35、讀寫一般與ram相同，由于89c51一般能尋址64k字節(jié)24。所以需要利用p1口進(jìn)行地址擴(kuò)寬，本系統(tǒng)中另加三根線（p1.1、p1.2、p1.3），作地址線用，使尋址空間擴(kuò)展到512k字節(jié)，并分別采用分而管理方式分配內(nèi)存，即在總線輸出地址之前，先對(duì)外加的3根高位地址選頁，然后在所選頁中進(jìn)行輸入輸出操作。at29c040讀取時(shí)間僅為70ns，單一+5v電源，雙8k字節(jié)的引導(dǎo)區(qū)，內(nèi)部程控定時(shí)器，硬件和軟件數(shù)據(jù)保護(hù)功能，快速扇出程序周期10ms，低功耗：待機(jī)為100ua，啟動(dòng)工作為50ma，10000次擦寫次數(shù)。輸入輸出全兼容cmos和ttl電路25。4.6 對(duì)數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的校正首先對(duì)頻域

36、中的函數(shù)進(jìn)行分析, 在頻域304030h范圍內(nèi)的曲線如圖所示。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。圖4.11 函數(shù)分析圖該濾波網(wǎng)絡(luò)采用簡(jiǎn)單的無源濾波網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)，圖中、構(gòu)成初始放大倍數(shù)近乎恒定的網(wǎng)絡(luò).觀察到在頻率較高處有大幅度的衰減,故該網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)滿足在頻率較高處的衰減特性，考慮到對(duì)于聲音信號(hào)，過多的高頻分量只能增加噪聲，所以后接、構(gòu)成低通濾波器，截止頻率設(shè)在3.4khz100hz。該網(wǎng)絡(luò)在頻域由30hz起，增益緩慢增大，到3.4khz處幅頻。55 軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)at89c51通過片選方式讀a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及將數(shù)據(jù)送入d/a轉(zhuǎn)換器。錄音時(shí)at89c51通

37、過定時(shí)器控制采樣頻率。定時(shí)將a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。放音時(shí)，單片機(jī)at89c51通過定時(shí)器控制，定時(shí)的將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中取出送往d/a轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)摸轉(zhuǎn)換。定時(shí)器1中斷入口讀取定時(shí)器服務(wù)標(biāo)志位00hhhh00h00h00h以方式0錄音以方式1錄音以方式2錄音以方式3錄音 等待返回 圖5.2 定時(shí)器1中斷服務(wù)程序流程圖鍵盤中斷入口讀鍵值08h08h08h08h08h其他設(shè)置方式0錄音標(biāo)志設(shè)置方式1錄音標(biāo)志設(shè)置方式2錄音標(biāo)志設(shè)置錄音回放標(biāo)志 開定時(shí)器1中斷置位自動(dòng)錄音標(biāo)志位 返 回 等 待圖5.3 鍵盤中斷程序流程6 總結(jié)與展望經(jīng)過兩個(gè)多月的學(xué)習(xí)、思考和資料查閱，終于完成了這篇畢業(yè)論文。通過多方面的審查，經(jīng)過我理論上的分析，可以認(rèn)為在硬件與軟件的設(shè)計(jì)上是可行的，應(yīng)該是可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。但是由于時(shí)間的倉(cāng)促，本系統(tǒng)還存在很多的不足，雖然本系統(tǒng)主要由mcs51單片機(jī)控制為主，制作完成了滿足題目基本要求