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1、电子信息工程技术专业毕业论文-数字化语音存储与回放系统设计 摘 要 本文介绍了一种以单片机为核心控制单元的数字化语音存储与回放系统的组成以及系统软硬件的设计该系统的基本原理是对语音信号的录制和回放的数字化控制该系统以AT89C52单片机为微处理器实现对系统的控制以及数据的处理系统采用闪存28F512作为外部数据存储器来存放语音数据以满足能够较长时间存储语音信息语音采集部分采用ADC0809进行模数转换语音回放部分采用DAC0832实现数模转换并通过键盘等接口电路实现人机交互单片机工作在中断查询模式能够快速响应按键要求以控制信号的采集存储和回放等同时外围电路辅以带通滤波器和增益功率放大等电路对信
2、号进行滤波放大以保证信息的高质量存储与回放关键词数字化存储回放数字滤波采样模数转换目 录1绪论111课题背景112课题研究的意义113数字化处理的前景114课题任务要求215本文的主要内容32系统总体方案设计43硬件部分设计731拾音器732放大器的设计7com益放大器7com率放大器833滤波器设计934单片机选型12com9C52介绍12com介13com能及其特性14com1435采样保持电路1536 DA转换器DAC083215com DAC0832内部结构及引脚16com DAC0832工作方式1637 A D转换电路设计18com A D转换的常用方法18com ADC0809的主
3、要特性和结构18com ADC0809管脚功能及定义19com ADC0809工作方式2038键盘电路2239存储器的选取234软件设计2641编程工具软件Keil C512642 Protrus软件设计2643软件程序的设计27com体流程图27com设计28com真305结论326致谢33参考文献34附录36外文资料41外文翻译481绪论11课题背景语音信号处理信息科学的一个重要分支大规模集成技术的高度发展计算机技术的飞速前进推动了语音信号处理的发展12课题研究的意义数字化的点数字信号模拟信号是加工信号加工信号对于有杂波的外部环境易产生失真电路来说具有较好的稳定性可以说数字信号适用于易产生
4、杂波和波形失真的远距离传送使用数字信号传送具有稳定性好可靠性高的优点数字信号需要使用集成电路和大规模集成电路计算机易于处理数字信号数字信号还适于数字特技和图像处理 数字信号处理电路简单它没有模拟电路里的各种调整因而电路工作稳定技术人员能够从日常的调整工作中解放出来13数字化处理的前景数字化和信息化有着密不可分的联系进而影响着科技进步的现代化进程在在新经济时代推动时代发展的根本力量仍必将是信息化和科技进步推动的全球经济一体化对科技进步的现状 包括数字技术 与经济发展前景的联系会引起人们的各种思考一方面数字技术对推动科技进步 以新颖性创造性实用性为标准 带来的机遇不容忽略另一方面人类综合能力实践能
5、力和创新能力的提高也会推动数字信息化在更宽阔 的领域里有新的创造25人类通过对信息的处理来认识客观的世界又是通过对信息的应用实践来改造世界的人们可以认为信息处理的数字化技术一定和其他任何事物的发展规律一样只是信息处理的一个阶段反映了从模拟到数字的飞跃但是在这个阶段将会停留很长时间让我们去发展它去完善处理它的方法数字处理绝不是信息处理方法的终极方案也不是没有缺陷的方案 比如不适合用它处理频率很高的信号等 数字化处理技术对人类的贡献已经十分明显而信息处理的数学方法对科学技术的推动作用更是不可估量的数字化革命已经渗透到了人类生活和工作的各个方面而且人类正以信息处理主宰者的姿态不断实践绘制着自己更加丰
6、富多彩的光明未来28 数字化已经成为了时代的主流发展的趋势14课题任务要求本次设计的主要目的是将单片机信息处理技术应用到数字化语音存储与回放系统15本文的主要内容本课题主要利用DA和数据存储研究工作包括软件的编程为了实现本文主要研究工作如下首先进行系统方案的分析与设计主要介绍统的性能指标原理等设计系统使之具有功能然后进行系统的硬件设计主要包括的分析与设计根据范围及要求选择传感器设计系统使之具有进行系统的软件设计主要图21系统框架图系统组成如图21所示由输入通道AT89C52单片机和输出通道三部分组成先分析输入通道部分图22输入通道结构图输入通道由拾音器前置放大电路和带通滤波器组成拾音器输出的毫
7、伏信号实测其范围约为20-25mV后级AD转换输入信号的动态范围为0-5V因为此电信号太小所以不能够进行采样语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右此处将信号通过一增益为46dB的放大器将其放大到伏特量级输出通道由带通滤波器后级放大电路组成信号由拾音器拾起经由用NE5532设计放大电路的进行放大增益可调这样满足了存储放大器增益46dB要求滤波电路采用带通滤波电路将带通滤波器设计为典型的200Hz-34kHz输出级带通滤波器也为200Hz-34kHz这样既可滤掉低频分量又可滤掉DA转换带来的高频分量很好的滤除掉噪声根据奈奎斯特抽样定理知欲使采样信号无失真抽样频率最低为6
8、8kHz考虑到留有一定的余地采用8kHz这样就足够保证语音质量系统信号采集由模数转换器ADC0809及采样保持放大器LF398完成LF398 具有高采样速率保持电压下降慢等特点语音信号经其采样后输出至ADC0809分析输出通道部分图23输出通道结构图输出通道也采用滤波电路利用这种电路滤掉数字量转换的模拟量中不在所要求频率范围的波形功率放大部分由LM386组成LM386是目前颇为流行的小功率音频放大集成电路它广泛运用于各种语音电路中作为系统的核心部分即系统的处理控制中心单元选用AT89C52它属于80C51增强型单片机版本集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能适合于控制等应用场合AT89C
9、52内置8位中央处理单元256字节内部数据存储器RAM8k片内程序存储器ROM32个双向输入输出 IO 口3个16位定时计数器和5个两级中断结构一个全双工串行通信口片内时钟振荡电路AT89C52完全满足要求图24信号处理结构图存储器的容量选择根据所存语音信号的时间长短而定因题目要求至少10s所以存储器的容量至少为80K可以选用2片64K的FLASH Memory 28F512作为外部数据存储器来存放存储的数据3硬件部分设计31 拾音器拾音器本质上是一种声传感器它能够把外界声场中的声信号转换成电信号它在通讯噪声控制环境检测音质评价文化娱乐超声检测水下探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应用它的种
10、类按特点和频率等将它划分为超声传感器声压传感器和声表面波传感器单纯的磁性拾音器工作的电学原理当在铜丝绕制的线圈内震动切割被该线圈所缠绕的磁芯产生的磁感线时线圈内感应出电信号并流出 动圈式32 放大器的设计放大器输入的电压或功率放大的装置由电子管或晶体管电源变压器电器元件组成在通讯广播雷达电视自动控制等装置中com 前置增益放大器拾音器输出的信号实际范围约为2025mV而后级AD转换输入信号的动态范围为05V由于此电信号太小不能够进行采样通过对语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应设置在200倍左右即将拾音器输出的信号通过一增益为46dB的放大器将其放大到伏特量级为了将从拾音器获得
11、的微弱语音信号放大我们采用由运放NE5532构成的高输入阻抗的放大器NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器特点小信号带宽10MHz输出驱动能力60010V有效值输入噪声电压5nVHz直流电压增益50000 交流电压增益2200-10kHz 功率带宽140kHz转换速率9Vs大的电源电压范围3V-20V 单位增益补偿相大多数标准运算放大器NE5532显示出更好的噪声性能这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备仪器和控制电路和电话通道放大器NE5532作为前置放大电路的运放前置放大电路如图31所示图31前置放大器放大器的放大倍数按下式计算3-1带入数据有3-2因为设计的R4的值可以调节
12、所以增益倍数可以满足要求的调节范围com率放大器经带通滤波器输出的声音信号其幅度为05V足以用耳机来收听可不接任何放大器但考虑到实际中经常会用到扬声器外放故在本系统中增加外放功能采用通用型音频功率放大器LM386来完成13LM386是目前颇为流行的小功率音频放大集成电路它广泛运用于各种语音电路中它的突出优点是频响宽功耗低电源电压适应范围宽外接元件少等LM386集成功率放大器的性能及特征额定工作电压416V额定电流当电源电压为6V时静态工作电流为4mA适合用电池供电增益脚与脚之间不接外部阻容元件时电压增益为20接元件时可提供增益到20200之间的任何值 频响可达数百kHz最大允许功耗为25600
13、mA使用时不用散热片负载电阻4时输出功率失真为10为300mALM386有两个信号输入端当信号从脚输入时构成反相放大器从脚输入时构成正相放大器本设计中信号从脚输入为正相放大器每个输入端的输入阻抗都为50K而且输入端对地的直流电位接近为零即使对地短路输出直流电平也不会产生大的偏离图32 LM386引脚图在音频放大电路中输出信号的放大倍数由LM386的引脚和的外接的情况来决定一般情况下这两个引脚通过串联一个电阻R1和一个电容C2连接起来正是这个RC网络决定了电路的增益当脚和脚开路时电路电压增益为40通过调节R1的值可以改变增益的大小通过滑动RV1的触头即可调节后置功率放大的大小进而控制调节音量电路
14、如图33所示图33输出功率放大33滤波器设计滤波器的作用是让一定频率范围内的信号通过同时将此频率范围之外的信号加以抑制或者使其急剧衰减当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内使用滤波器可以非常有效的抑制干扰实际信号除有用信号外常常带有干扰这些干扰有的是和有用信号同时产生的有的则是在信号传输与处理过程中由于不同系统间的相互作用而引起的在信号处理中从带有干扰的信号中能够分离出有用信号的装置被称为滤波器滤波器在日常生活中运用非常广泛例如在电子工程通信工程自动控制遥测控制测量仪器仪表和计算机等技术领域经常需要用到各种各样的滤波器随着集成电路的迅速发展用集成电路可很方便地构成各种滤波器用集成电路实现的滤
15、波器与其他滤波器相比其波形质量幅度和频率稳定性等性能指标都有了很大的提高23声音信号通过动圈拾音器转为电压信号通过前级放大进行放大在对其进行数据采集之前并经过带通滤波器滤除所需频率以外的杂波按本题目要求选定带通滤波器滤波器的通带范围为200Hz34KHz滤波器的作用是1保证2003400Hz的语音信号不失真的通过滤波器2滤除通带外的低频信号以减少带外功频等分量的干扰大大减少噪声影响3便于滤除通带外的高次谐波以减少因8kHz采样率而引起的混叠失真根据实际情况该上限频率可在3000Hz左右带通滤波器按品质因数的大小为窄带滤波器和宽带滤波器两种本题中上限频率通带滤波器中心频率为 3-3品质因数为 3-4因为故该带通滤波器为宽带带通滤波器本宽带带通滤波器设计由高通和低通滤波器级联构成滤波器的实现我们采用低通-高通级联方式实现即将带通滤波器的技术指标分成低通滤波器和高通滤波器两个独立的技术指标分别设计出低通滤波器和高通滤波器再级联即得带通滤波
