课程设计语音录放器.docx
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课程设计语音录放器
课程设计--语音录放器
南华大学电气工程学院
《电子技术课程设计》
设计题目：
语音录放器
专业：
本11通信02班
学生姓名：
王佳杰
学号：
20114400218
指导教师:
王彦
教研室主任：
王彦
《电子技术课程设计》任务书
1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：
一、课程设计内容
题目：
语音录放器
要求：
电源电压DC6~12V，利用语音录放芯片完成声音的录放。
注：
可以采用麦克风作为声音传感器，扬声器作为声音播放，ISD2560等语音芯片制作。
二、课程设计要求
1.综合运用已学习过模拟电路和数字电路等知识，阅读相关集成电路芯片资料和相关文献，了解电子电路设计的有关知识，方法和特点，掌握基本的电子电路设计和芯片使用方法。
2.一人一题，所设计的电路必须制作成功，并且全部或者部分通过计算机仿真。
课程设计必须自己独立完成，不得从网上下载，一经发现该课程成绩记零分。
3.课程设计设计说明书（报告）应包括有：
①电路工作原理分析
②电路元器件参数设计计算
③电路调试说明
④电原理图和PCB图（必须自己画）
⑤元器件装配图（必须自己画）
⑥元器件清单
⑦自己的收获和体会
⑧要求字数不得少于3500字
⑨要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel等软件绘制电原理图（SCH）、元器件布局图和印制电路板（PCB）。
4.所有的文档和表格必须采用Word形式。
5.同类型的设计题可以组成一个设计组，组员之间可以开展研究与讨论。
雷同者均计0分。
6.阅读有关芯片英文参考资料，理解资料内容。
7.英文资料中的曲线、参数、方框图、引脚端封装等图（不包括电原理图和PCB图）可以直接采用（pdf文档中的图可放大300倍后裁剪到Word文档中），图中的英文可以采用英文（中文）方式翻译在图下。
8.英文资料中的一些词，如果翻译拿不准，可以采用英文（中文）方式标注。
9.设计资料中的有关的公式可以直接采用。
10.课程设计结束，需要交制作的作品、文字稿和电子稿，采用Word文档形式。
11.成绩评定：
①按ABCDE分档，其中：
优秀为A，良好为B，中等为C，及格为D，不及格为E。
②课程设计设计说明书占60%，实物制作占40%。
2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：
设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。
要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板（PCB）,器件的选择要有计算依据。
3．主要参考文献：
（1）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛技能训练[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2007
（2）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛制作实训[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2007
（3）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2006
（4）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛电路设计[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2006
（5）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2010
（6）黄智伟等.基于NImultisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M]．北京：
电子工业出版社，2007
（7）黄智伟.印制电路板（PCB）设计技术与实践[M]．北京：
电子工业出版社，2009
（8）高吉祥等.电子技术基础实验与课程设计[M]．北京：
电子工业出版社，2002
（9）吴运昌.模拟集成电路原理与应用[M]．广州：
华南理工大学出版社，2001年
（10）谭博学等.集成电路原理及应用[M]．北京：
电子工业出版社，2003
（11）魏立军.CMOS4000系列60种常用集成电路的应用[M]．北京：
人民邮电出版社，1993
（12）杨宝清.实用电路手册[M]．北京：
机械工业出版社.2002
（13）陈有卿.报警集成电路和报警器制作实例[M]．人民邮电出版社1996
（14）肖景和.红外线热释电与超声波遥控电路[M]．人民邮电出版社.2003
4．课程设计工作进度计划：
序号
起迄日期
工作内容
1.
2013.10.28~2013.11.8
资料查找和阅读
2
2013.11.9~2013.11.15
电路方案选择，电路设计和计算，电路仿真
3
2013.11.16~2013.11.27
材料购买，电路设计和PCB设计
4
2013.11.28~2013.12.9
PCB制作，电路元器件安装
5
2013.12.10~2013.12.18
作品调试
6
2013.12.19~2013.12.24
课程设计设计说明书写作
指导教师
王彦
日期：
2013年10月26日
引言......................................................6
1语音录放器的设计............................................6
1.1总体设计.................................................7
1.2驻极体话筒...............................................7
1.2.1概述.................................................7
1.2.2构造与原理...........................................7
1.2.3驻极体话筒的主要参数.................................8
1.3动圈式扬声器.............................................8
1.4ISD1820语音录放器芯片介绍................................8
1.4.1芯片介绍.............................................8
1.4.2主要特性.............................................8
1.4.3封装形式.............................................9
1.4.4引脚描述.............................................9
1.4.5ISD1820参数.........................................10
1.4.6ROSC口电阻与录音时间关系............................10
2电路的制作与调试...........................................11
2.1电路的布线与焊接........................................11
2.1.1总线特点............................................11
2.1.2在Altiumdesigner软件画原理图.......................11
2.1.3Altiumdesigner软件画PCB............................11
2.1.4焊接................................................11
2.2调试....................................................12
2.2.1调试所用仪器........................................12
2.2.2调试电路的方法和技巧................................12
2.2.3调试过程中遇到的故障、原因与排除方法................12
2.3功能测试................................................12
3扩展...................................................13
3.1加入功率放大器..........................................13
3.2使用单片机控制..........................................13
3.3批量拷贝................................................13
4结论...................................................13
参考文献...............................................14
附录A所需元件清单...........................................15
附录B语音录放器原理图.......................................15
附录C语音录放器PCB图.......................................16
附录D实物图.................................................16
引言
从20世纪30年代初到50年代末，有声电影主要应用光学录音方法。
虽然有声电影初期曾使用过唱片配音的方法，光学录音是以感光材料为媒介记录声音的方法，泛用这种方法录制的影片为数不多，时间很短。
光学录音进入电影领域后，在世界范围内掀起了从无声电影到有声电影的高潮，推动了电影事业的大发展。
40年代末50年代初磁性录音也进入了电影领域，但大量拷贝仍以光学录音为主；80年代磁性录音和光学录音两种方法并用。
随着经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，现在的人已经离不开音乐，而且对听觉要求越来越高。
计算机技术和数字电子的发展，现在的语音系统有了重大的飞跃，从以前的体积较大的单放机、复读机发展到了音质较好、体积小、容量大的MP3、MP4、手机，可以说语音技术已经相当成熟了。
自80年代以来，美、日等国的数字语音技术的研究工作进入了应用阶段，相继研制的大规模集成电路语音芯片已经供应市场，并不断推出新的产品。
数字语音技术的应用领域十分广泛，首先是数字通信系统。
当通过数字通信系统传送语音信号时，语音数字化技术是必不可少的。
发送端实际上即为语音编码，接收端为语音合成。
在我们日常生活中，数字化语音存储与回放技术得到了广泛的应用，比如说公交车的报站器，MP3播放器，手机等，使得产品功能强大，淘汰了磁带录音的传统方式，方便了人们的生活，推动了社会进步。
本设计的主要是制作一个语音录放设备。
一个简单的语音录放器必须由声音传感器、声音播放设备和语音芯片三个主要部分组成。
本文按照设计要求，采用麦克风作为声音传感器，扬声器作为声音播放，语音芯片则采用了美国ISD公司生产的相对简单且较为实用的ISD1820芯片。
1语音录放器的设计
1.1总体设计
该语音录放器的语音录放功能实现主要是通过语音芯片ISD1820完成的。
在录音模式下，语音信号，即声波信号，通过麦克风，将其转换成电信号，然后经过电路的放大和滤波，将相对比较“干净”的电信号传给芯片ISD1820，最后，芯片ISD1820采样并记录下这样一段信号。
在播放模式下，芯片ISD1820再将之前获得并储存的电信号经电路传给喇叭，喇叭将此电信号还原成声波信号播放出来，送入我们的耳朵。
如图1所示，语音录放器的总体结构框图。
图1.语音录放器的总体结构框图
1.2驻极体话筒
1.2.1概述
驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。
属于最常用的电容话筒。
由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。
1.2.2构造与原理
驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。
声电转换的关键元件是驻极体振动膜。
它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。
然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。
膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。
膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。
这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。
当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。
驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。
因而它的输出阻抗值很高（Xc＝1／2~tfc），约几十兆欧以上。
这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。
所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。
场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。
普通场效应管有源极（S）、栅极（G）和漏极（D）三个极。
这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效c应管。
接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。
场效应管的栅极接金属极板。
这样，驻极体话筒的输出线便有三根。
即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。
图2.驻极话筒的原理图和结构图
1.2.3驻极体话筒的主要参数
工作电压：
Uds1.5~12V，常用的有1.5V，3V，4.5V三种
工作电流：
Ids0.1~1mA之间
输出阻抗：
一般小于2K（欧姆）
灵敏度：
单位：
伏/帕，国产的分为4档，红点（灵敏度最高）黄点，蓝点，白点（灵敏度最低）
频率响应：
一般较为平坦
指向性：
全向
等效噪声级：
小于35分贝
1.3动圈式扬声器
目前市面上90%的扬声器都是动圈式扬声器，所以本设计中也采用这种扬声器作为声音的输出设备。
1.4ISD1820语音录放芯片介绍
1.4.1芯片简介
美国ISD公司于2001年最新推出一种单片8～20秒单段语音录放电路ISD1820，它的基本结构与ISD1110、1420完全相同，采用CMOS技术，内含振荡器，话筒前置放大，自动增益控制，防混淆滤波器，扬声器驱动及FLASH阵列。
1.4.2主要特性
（1）使用方便的单片8至20秒录音录放；
（2）高质量，自然的语音还原技术；
（3）边沿/电平触发放音；
（4）自动节电，维持电流0.5uA；
（5）不耗电信息保存100年（典型值）；
（6）外界电阻调整录音时间；
（7）内置喇叭驱动放大电路；
（8）10000次录音周期（典型）；
（9）3-5V单电源工作；
（10）借助专用设备可以批量拷贝。
1.4.3封装形式
该芯片有四种不同封装形式，其中常用的有两种，这次选用的是硬包封双列直插14脚的DIP14。
图3.通用的，软包封单列直插12脚的COB12，字符标记为1810COB
图4.的，硬包封双列直插14脚的DIP14，字符标记为ISD1820P
1.4.4引脚描述
（1）电源（VCC）：
芯片内部的模拟和数字电路使用的不同电源总线在此引脚汇合，这样使得噪声最小。
去耦电容应尽量靠近芯片。
（2）地线（VSSA, VSSD）：
芯片内部的模拟和数字电路的不同地线汇合在这个引脚。
（3）录音（REC）：
高电平有效。
只要REC变高（不管芯片处在节电状态还是正在放音），芯片即开始录音。
录音期间，REC必须保持为高。
REC变低或内存录满后，录音周期结束，芯片自动写入一个信息结束标志（EOM），使以后的重放操作可以及时停止。
然后芯片自动进入节电状态。
注：
REC的上升沿有84毫秒防颤，防止按键误触发。
（4）边沿触发放音（PLAYE）：
此端出现上升沿时，芯片开始放音。
放音持续到EOM标志或内存结束，之后芯片自动进入节电状态。
开始放音后，可以释放PLAYE。
（5）电平触发放音（PLAYL）：
此端从低变高时，芯片开始放音。
放音持续至此端回到低电平，或遇到EOM标志，或内存结束。
放音结束后芯片自动进入节电状态。
（6）录音指示（/RECLED）：
处于录音状态时，此端为低，可驱动LED。
此外，放音遇到EOM标志时，此端输出一个低电平脉冲。
此脉冲可用来触发PLAYE，实现循环放音。
（7）话筒输入（MIC）：
此端连至片内前置放大器。
片内自动增益控制电路（AGC）控制前置放大器的增益。
外接话筒应通过串联电容耦合到此端。
耦合电容值和此端的10KΩ输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。
（8）话筒参考（MIC REF）：
此端是前置放大器的反向输入。
当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。
（9）自动增益控制（AGC）：
AGC动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量（从耳语到喧嚣声）时失真都能保持最小。
通常4.7uF的电容器在多数场合下可获得满意的效果。
（10）喇叭输出（SP+,SP-）：
这对输出端可直接驱动8Ω以上的喇叭。
单端使用时必须在输出端和喇叭之间接耦合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高至4倍。
SP+和SP-之间通过内部的50KΩ的电阻连接，不放音时为悬空状态。
（11）外部时钟（XCLK）：
此端内部有下拉元件，只为测试用，不用接。
（12）振荡电阻（ROSC）：
此端接振荡电阻至VSS，由振荡电阻的阻值决定录放音的时间。
（13）直通模式（FT）：
此端允许接在MIC输入端的外部语音信号经过芯片内部的AGC电路、滤波器和喇叭驱动器而直接到达喇叭输出端。
平时FT端为低，要实现直通功能，需将FT端接高电平，同时REC、PLAYE和PLAYL保持低。
1.4.5ISD1820参数
图5.ISD1820参数
1.4.6ROSC口电阻与录音时间关系
图6.ROSC口电阻与录音时间关系
2电路的制作与调试
2.1电路的布线与焊接
2.1.1总体特点
该设计所设计的各部分硬件电路，总体特点是：
（1）大部分的电容电阻采用贴片封装，节约板材，减少成本；
（2）为了检错方便电路采用分模块制作；
（3）在电路布局时，尽量合理安排空间，这样可以避免跳线，从而美化电路；
因此，应合理布线，以降低焊接难度，降低出错率，同时防止干扰。
2.1.2在Altiumdesigner软件画原理图
用Altiumdesigner软件将已经设计好的语音录放器电路图画出来，如图7所示。
图7.语音录放器原理图
2.1.3Altiumdesigner软件画PCB
在本设计中，画PCB要注意的一些地方。
首先，在原理图转换成PCB之后，不要急于连线，要把元器件的分装摆放好，以减少跳线的麻烦。
其次，元器件摆放好之后，接下去就是布线，布线时尽量不用自动布线，不要怕麻烦，要自己手动布线。
在遵循一定的规则下，手动布线更加美观。
附录C为语音录放器的PCB图。
2.1.4焊接
（1）焊接电阻器
套件中的电阻器采用的是4道色环的普通电阻器。
（2）焊接电容器
电路中的电容器有陶瓷电容器和电解电容器之分。
陶瓷电容器没有极性：
电解电容器有极性，长脚为“十”。
短脚为“一”，插装时务必注意极性，采用卧式插装。
（3）焊接微动开关
焊接微动开关前先测量开关的好坏，插装时要紧贴电路板。
由于开关柄比较长，注意按动时用力要均匀，防止损坏。
（4）焊接集成电路
集成电路是有方向的。
插装时将集成电路的半圆槽与符号中的半圆圈对应起来，保证极性正确。
（5）焊接发光二极管
发光二极管的长脚为“+”，插装时注意调整其高度，保证与外壳有很好的配合，从孔中露出一点点即可。
（6）焊接话筒
话筒是有极性之分的，与外壳连接的那个极是负极。
利用焊接电阻后多余的导线连成脚。
话筒在电路上插装时要紧贴电路板。
（7）扬声器与电路板的连接
扬声器与导线焊接前要先上锡，然后与导线连接，然后导线与电路板相连接。
2.2调试
2.2.1调试所用仪器
万用表等。
2.2.2调试电路的方法和技巧
制作完电路后，不要马上上电，先用万用表测量每一块电路，确保每一个走线时联通的。
测量每一个电阻的阻值是否与设计值匹配，二极管正负极是否接反，电解电容的正负极是否接反。
最后要确保电源的正负极是否连接在一起。
2.2.3调试过程中遇到的故障、原因跟排除方法
故障是电路只能放音但不能录音，原因是芯片相邻两个引脚导通导致电路出现故障，最后用万用表挨个测试相邻引脚电阻时发现有两个导通。
2.3功能测试
按住REC录音按键不放即录音，RECLED灯会亮起，送开按键录音停止。
放音有三种情况：
沿触发放音，按PE键一下即将全段放音，除非断电或放音结束，否则不停止放音；电平触发放音，按住PL键时即放音，松开按键即停止；循环放音，置循环放音开关闭合，按动PE键即开始循环放音，只能断电才能停止。
在直通模式下，直通开关闭合，对话筒说话会从喇叭里扩音播放出来，构成喊话器功能，由于该模式下的话筒放大，同时经过AGC自动增益调节和带通滤波器，其音质比通常的话筒放大器要好很多，而且不会出现喇叭过载的情况。
3扩展
3.1加入功率放大器
可以在扬声器端加上一个功率放大器，其中LM386、D2283、D2822、TA7368、MC34119均可用。
信号由SP+或SP-通过电容耦合输入，SP+或S-不用的一端必须悬空不能接地,使用LM386作放大器的连线图如下：
图8.LM386功率放大器连线图
3.2使用单片机控制
3.3批量拷贝
借助ISD1425编程拷贝机，实现ISD1820的批量拷贝。
可以先将需要的语音编程制作在ISD2532或ISD2560芯片上，然后即可向ISD1820P拷贝模块上的芯片拷贝即可，时间长度在模块上事先设定；
4结论
本设计以ISD1820为核心部件，完成了课程设计任务书中所要求声音的储存与回放，而且该设计还可实现喊话器的功能，对麦克风说话会在喇叭里扩音播放出来。
由于这一次为本人的第一次设计，经验尚浅，所以选用了一个相对较为简单的电路方式，而且在焊接电路的过程中可能也是因为平时没有怎么接触，焊接出来的效果不是理想中那么好看，通过这次设计我真正体会到了自己认真研究一件事物并且将它在电路板上呈现出来的喜悦感。
这也大大增加了我对电路制作与焊接的热情，这是唯一能让我在一个位子上坐了半天都没起来过的事。
在以后的学习中，我会主动去研究跟学习更多的电路，将自己所学到的理论知识努力呈现到一些设计当中。
参考文献
（1）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛技能训练[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2007
（2）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛制作实训[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2007
（3）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2006
（4）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛电路设计[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2006
（5）黄智伟．全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2010
（6）黄智伟等.基于NImu
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