10秒录音电路设计与仿真

十秒录音电路设计与仿真 【摘要】本设计主要的内容是十秒录音电路的设计与制作。从设计原理到印制版制作的整个流水过程都溶入其中，包括原理图的设计、PCB板的制作（元件布局，放置，布线等）、转印、腐蚀、插件、焊接元件、装配、调试、总结等过程。该电路的工作原理是选用ISD1110语音芯片，芯片采用CMOS技术，内含振荡器，话筒前置放大，防混淆滤波器，平滑滤波器，扬声器驱动及EEPROM阵列。VCCA和VCCD模拟和数字电源，分别连接至电源；地线也应分开，去偶电容要靠近芯片。PLAYL-电平触发放音，PLAYE-边沿触发放音，REC-录音，XCLK-外部时钟接地，MICREF-话筒参考，MIC-话筒。偶合电容值和此端的10K决定了低频截止点。按下S3键，REC为低电平，芯片开始录音，此时RECLED亮，直至松开S3键或遇到EOM标志，录音完毕。信号存入64K模拟存储阵列，然后通过串行通道再经过滤波放大后，送到喇叭。本设计多用于喊话、叫卖等多种商业场所，该产品使用方便，因此受广大消费者喜爱，成本低利于制作。关键字：录音 设计 制作 ISD1110芯片目 录第一章引 言3第二章设计概述42.1 功能特性42.2 原理框图4第三章 设计原理与计算53.1 设计原理53.2 设计与计算83.2.1 电源的选择83.2.2 话筒的选择及连接83.2.3 扬声器的选择及连接83.2.4 操作模式的设置83.2.5 外围电路83.2.6录放按纽的设置8第四章 印制板制作94.1 Protel 2004背景94.2 制作过程94.2.1绘制原理图94.2.2绘制特殊元件符号和封装图104.2.3绘制PCB板图104.3 制作PCB板114.4 元件的焊接11第五章 电路仿真125.1 仿真步骤125.2 故障分析及排出方法125.3 仿真过程及效果135.4 达到的技术指标135.5 电路的时序图14第六章 心得体会15参考文献17致 谢18附 录19第一章 引 言电子信息技术发展百多年来有着突飞猛进的飞跃，从没有到有，简单到复杂，庞大的体积已经越来越小，随着集成电路和超大规模集成电路的应用，早已经使我们的电子行业产业化，商业化，企业化，工厂化。在中国，电子信息行业已经在国家经济发展中占据最重要的一块，对国民经济的发展起着主导作用，不管是军事还是民营的发展都离不开它的发展。在发达国家更是如此，甚至将电子信息工程展现得淋漓尽致，千姿百态。它已经成为现代国民经济增长的主要驱动力量，也是衡量一个国家现代化与综合国力的重要标志。从1878年1月爱迪生制造出了第一代声音载体和第一台商品留声机锡箔唱筒开始，到现在的录音机、录音笔、DVD机、摄像机、录音棚等产品的诞生，录音技术已达到了相当高的水平，广泛应用于航天、航空、医学、汽车、通讯、电子、人工智能等各个领域。本设计-十秒录音电路就是千千万万电子产品中的一员，它也在国家的发展，社会的进步中起着一定的作用。十秒录音电路虽然只有短短的十秒录音时间，但它的作用也不能忽略。它可广泛用于喊话，商业叫卖等多中场合，能记录重要短暂的语音资料。能被很多儿童玩具中的录音模块所采用，在一些音乐贺卡，电子音乐礼品中使用尤为广泛。如今，录音已经成了人们生活的一部分，一门需要我们了解的艺术。第二章 设计概述2.1功能特性ISD系列集成电路是美国ISD公司生产的，ISD1110语音芯片采用多电平直模拟量存储专利技术，每个采样直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语言、音乐、音调各效果，避免了一般同样录音电路因量化和压缩造成的量化噪音和“全尾声”、采样频率从5.3KHz, 6.4KHz到8.0KHz对音质仅有轻微影响。该芯片内含64K/128KEEPROM存储器、噪音的话筒前置放大器和自动增益调节电路(AGC)。它具有全能片微型化，使用方便，语音任意录播放，断电语音保存。微功耗，直推喇叭，音质功耗仅0.5mA。并唯一的录音控制和边缘电平触发两种方音控制。片内信息与磁带效果相当。其录音时间为10秒。芯片内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器、驱动器及EEPROM阵列。最小的录放元件仅需麦克风、喇叭、三个按钮、电源及少数电阻、电容。片内信息断电可保存100年，EEPROM单片可反复录音十万次。2.2原理框图本设计的基本逻辑框图：第三章 设计原理与计算3.1设计原理 ISD1110语音芯片采用多电平直模拟量存储专利技术，易于使用，无需编程及开发系统，可随意改变录放内容，录放时间10秒，工作电压4.56.5V，静态电流0.5A，工作电流25mA。芯片内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器、驱动器及EEPROM阵列。最小的录放元件仅需麦克风、喇叭、三个按钮、电源及少数电阻、电容。每个采样直接存储在片内单个EEPROM单元中，永久性存储信息，可录放音十万次，存储语音可保留一百年。因此能够非常真实、自然地再现语言、音乐、音调各效果，避免了一般同样录音电路因量化和压缩造成的量化噪音和“全尾声”、采样频率从5.3KHz, 6.4KHz到8.0KHz对音质仅有轻微影响。电源(VCCA, VCCD)：芯片内部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上，这样可使噪声最小。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芯片。地线(VSSA, VSSD)：芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线，这两个脚最好在引脚焊盘上相连。录 音 (/REC)：低电平有效。只要/REC变低(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必须保持为低。/REC变高或内存录满后，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。之后芯片自动进入节电状态。注：/REC的上升沿有50毫秒防颤，防止按键误触发。边沿触发放音(/PLAYE)：此端出现下降沿时，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。电平触发放音(/PLAYL)：此端从高变低时，芯片开始放音。放音持续至此端回到高电平，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。注：放音过程中当遇到EOM或内存结束时，如/PLAYE或/PLAYL仍处在高电平，芯片虽然也会进入节电状态(内部震荡器和时钟停止工作)，但是由于芯片没有对/PLAYE和/PLAYL的上升沿进行消颤，随后在这两个引脚上出现的下降沿(释放按键时的抖动)都会触发放音。 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。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)将前置增益控制在-15至24dB。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10K输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。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。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。响应时间取决于此端的5K输入阻抗和外接的对地电容(即线路图中的C6)的时间常数。释放时间取决于此端外接的并联对地电容和电阻(即线路图中R5和C6)的时间常数。470 K和4.7uF的标称值在绝大多数场合下可获得满意的效果。模拟输出(ANA OUT)：前置放大器输出。前置电压增益取决于AGC端的电平。模拟输入(ANA IN)：此端即芯片录音的输入信号。对话筒输入来说，ANA OUT端应通过外接电容连至本端。该电容和本端的3K输入阻抗给出了芯片频带的附加低端截止频率。其它音源可通过交流耦合直接连至本端。喇叭输出(SP+,SP-)：这对输出端能驱动16 以上的喇叭。单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高至4倍。录音时，它们都呈高阻态；节电模式下，它们保持为低电平。外部时钟(XCLK)：此端内部有下拉元件，不用时应接地。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，保证了标称的最小录放时间。商业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在2.25%内，并保证最小录放时间，所以有些芯片的录放时间比标称值稍大。工业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在5%内，建议使用稳压电源。若要求更高精度或系统同步，可从本端输入外部时钟，频率如前表所示。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，因为内部首先进行了分频。地址(A0-A7)：地址端有两个作用，取决于最高(MSB)两位A7、A6的状态。当A7或A6有一个为0时，所有输入均释放为地址位，作为当前录放操作的起始地址。地址端只作输入，不输出操作过程的内部地址信息。地址在/PLAYE、/PLAYL、或/REC的下降沿锁存。（注：1100系列的/REC, /PLAYL, /PLAYE, A6和A7端内部被上拉到VDD，A0-A5内部被下拉到VSS，上拉/下拉阻值在50K至100K，除此之外，各引脚与1200/1400完全相同。电路设计中，这些端的外围上/下拉电阻可省略，但需要仔细考虑对静态电流的影响。）3.2设计与计算3.2.1 电源的选择电源是电子产品中一个组成部分，为了使电路性能稳定，往往还需要稳定电源。本设计选用的是5V直流开关稳压电源。选取电压范围在4.56.5V之间。3.2.2 话筒的选择及连接话筒的作用是将由声音产生的空气波动和压力转换成适合电子器件使用的波动电平信号。话筒可分为很多种，本设计所选取的话筒为驻极体话筒。通过隔离电容分别连接在ISD1110的17、18脚。3.2.3 扬声器的选择及连接扬声器作为本设计的输出端，由于本设计只需要对声音进行录、抹、放音所以对它的音质、形状大小等并没有特殊的要求，只需要它的阻值在16左右就可以了。分别连接在ISD1110的14、15脚。3.2.4 操作模式的设置将A7-A0全部接地，释放所有地址，从首地址开始连续放音。3.2.5 外围电路自动增益控制端（AGC）接RC积分电路，供时间常数决定其响应时间，经调试取470K和4.7uF。3.2.6 录放按钮的设置设置了S1、S2、S3，三个轻触按钮，其中S3是录音按钮，S1是电平触发放音按钮，S2是边沿触发按钮。第四章 印制板制作4.1 Protel 2004背景Protel 2004是澳大利亚Protel Technology 公司于2001年推出的具有PDM功能的强大EDA综合设计环境的一个全32位的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易懂，使用该软件设计者可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、层次原理图设计、报表制作、画元件封装、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是业内人士首选的电路板设计工具。使用电脑设计电路原理图和电路板图是把电子技术从理论应用到实际的第一步，在学习了模拟和数字电路之后，首先应该学的就是画电路图和电路板图。只有会设计电路原理图和电路板图才能进行电子产品的研究与开发。4.2 制作过程4.2.1 绘制原理图绘制原理图是产品设计的初步，在设计中，本环节显得格外重要，它影响着后期制作的成败，如果原理图绘制出错，那么在PCB制作以后的阶段将出现众多问题，使得修改电路线路和调试更为艰难，由此可见这一环节的重要性是不可忽略的。因此在绘制原里图过程中应再三细心，按照正确的步骤和方式进行原里图的绘制。：设置原理图设计环境。设计环境对画原理图影响很大，在画原理图之前应该把设计环境设置好。工作环境设置是使用Design/options和Tool/preferences菜单进行，画原理图环境主要包括图纸大小，捕捉栅格，电气栅格，模板设置等。：放置元件。将电气和电子元件放置到图纸上。一般情况下元件的原理图符号在元件库中都可以找到，只需要将元件库中的元件从库中调出，放置在图上。由于元件种类非常多，都被分别放在不同的元件库中，所以应该知道哪类元件在那些库中。：原理图布线。元件一旦放置在原理图上，就需要用导线将元件连接起来，连接时一定要符合电气检测。：编辑与调整。编辑元件的属性。这些属性包括元件名，参数，封装图等。调整元件和导线的位置操作。：检查原理图。使用Protel 2004的电气规则检查原理图的连接是否合理与正确，给出检查报告。若有错误就需要根据错误情况进行改正。：生成网络表。生成原理图的网络表，所谓网络表就是元件名，封装，参数及元件之间的连接表，通过该表可以确认各个元件和它们之间的连接关系。：打印输出。打印输出原理图。在原理图设计环境放置以后，就该用原理图绘图工具绘图，进行放置连接。4.2.2绘制特殊元件符号和封装图尽管Protel 2004中元件库很多，元件也多，但要是遇到特殊的元件就需要自己动手画元件符号和封装图了。通过启动元件库编辑器对设计电路所需的特殊元件进行设计制作并使用元件管理器管理元件。对它们进行命名及功能显示，最后把它们保存在指定的元件库中，以便以后遇到同样的元件可以将它们从库里调出来直接使用。本设计中没有遇到特殊的元件，故不做特别介绍。4.2.3 绘制PCB板图电路板（又称PCB板）是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子产品的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法，遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。打开PCB板设计环境，对PCB板进行层面的设置（禁止布线层）和尺寸大小的设置。在画PCB边框时要考虑PCB尺寸大小，当PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加，若过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。再回到原理图环境中，使用原理图编辑器设计，对原理图进行电气检查（ERC）并生成网络表（Netlist）。使用Design/Netlist菜单，调入网络表。如在此过程中ERC检查有错误，那么应回到原理图中对其进行修改，直至显示正确无误。之后可以用调入网络表或在原理图中直接更新PCB板的方法把元件调入到PCB图中，再把元件一一拖进PCB板图框内，先确定特殊元件的位置后，再对其它元件的位置进行摆放，然后再对线宽进行设置（VCC、GND、以及其它线宽的设置）。接着就在PCB环境下的自动布线（Auto Route）菜单下点击全部（All）选项对PCB图进行自动布线，若自动布线不成功，就应该对元件进行重新摆放（以交叉线越少越好，同时应注意连线越短越好），再次进行自动布线。另外，如果在布线后出现绿线交叉应进行手动调整，比如用飞线的方法对其进行修改，或者适量缩小焊盘大小来增加焊盘间的距离，以便较宽的线路通过。经多次布线调整线路走向，布线完成后，就对焊盘进行泪滴处理，对PCB图进行加工修饰。4.3制作PCB板打印出底层和丝印层，在通过热转印，将电路转印在已经准备好的覆铜板上，再把覆铜板放在腐蚀液（40%三氯化铁加60%水）中。待腐蚀完成后，取出PCB板，用清水洗净后再用沙纸将其打磨干净涂上松香水，这样既可以助焊，又可以防止氧化，PCB的制作完成。4.4元件的焊接 在PCB板制作完成后，就应该进行元件放置和焊接了，根据原理图和顶部丝印层对元件进行正确的放置，比如二极管和电解电容等元件的极性。接着就是焊接，根据自己已有的焊接经验，对元件从小到大，从里到外一一进行焊接，在焊接过程中仍有很多的要点需要注意的，焊锡不能多也不能少，焊锡要填满焊盘和引脚，焊接时要注意不能有短路，焊接集成块时要注意焊接时间，避免温度过高导致烧坏元件。注意这一系列的焊接要点和步骤后，焊接就完成了。第五章 电路仿真5.1仿真步骤在完成本产品设计后，在未接上电源之前首先应该使用万用表对电路进行线路检测，看看是否有短路，元件是否有错焊、漏焊、虚焊等问题。经多次检测确保电路准确无误后（无元件焊接错误、短路等现象），方可接上5V直流稳压电源，再进行通电检测，并用万用表检测出ISD1110语音芯片各引脚的电压参数。在此过程中如果电路工作有异常情况，首先应该对出现故障的地方进行检测，使用万用表对故障点进行一步一步的检测，分析故障的原因所在，利用自己的专业知识对故障进行解决排除。如果不能解决的话，再向上一一地分析推理，直到找到问题的关键所在，对其进行修改调试。并总结出调试过程中的得失，从而丰富自己以后的工作经验。5.2 故障分析及排出方法在对该产品进行装配以后，剩下的工作就是对该产品进行调试，它包括对各项参数的测试，故障的检测，性能的优化、提高，以及后期对具体操作过程中的问题进行分析与解决。就本设计产品而言，刚完成装配后，接上5V电源按下录音键，能对其进行录音、放音、抹音。对于这个结果我很满意，但播放声音很小，集成电路很快就发热。折腾了半天始终找不到集成电路为什么会发热？经过推理，于是就敢肯定原理图大体上应该没有什么问题，最有可能的是有某些地方短路了，会是哪里呢？先使用万用表对电路进行了一一的检测，结果还是没有发现短路的现象，莫非是元件本身有问题？先后用了置换元件法，排除法，对电路进行检测，结果仍然找不到问题所在。此时想到集成电路会发热，应该是有短路，肯定是它直接到了电源才会发热，下了这个决定后就开始找它是否真有某些不该连接到电源的地方连接到电源上了，果然在扬声器的地方找到了问题，在原理图中发现扬声器的一脚自动生成了一个结点，关键的问题找到了，接下来的解决方法就简单多了。首先用小刀断开结点交叉的这两个地方，不过接通后问题更严重了，不能录音了，应该是断开了它的某一电路，在断开的电路中用飞线的方式将他们直接焊上，接通电源后，问题得到解决，不仅能对声音进行录、抹、放，而且声音还很大，不失真，效果很好！5.3 仿真过程及效果接通直流稳压5V电源，电路自动进入节电状态录音：按住录音键(REC保持低电平)，电路进入录音状态，录音指示灯亮，至REC变高或存储录满，录音结束进入节电状态（此时指示灯自动灭）。放音：轻触PLAYE键，给PLAYE一个低脉冲，电路即进入放音状态，直到结束。或给PLAYL一个低脉冲，放音结束，进入准备状态。按下PLAYL键(PLAYL变低并保持)，电路进入放音状态，直到PLAYL变高或放音结束，电路进入准备状态。（播放过程中指示灯不亮，播放完录音的瞬间指示灯闪烁一下）。抹音：直至下一次录音时，集成电路自动对上一次录音进行抹音（无须手动抹音）。播放效果：声音清晰，无杂音，不失真。人耳可辨别出音色。5.4 达到的技术指标本设计输入电压为5V，话筒接收音频信号，经过ISD1110录音模块，由扬声器输出音频信号。此过程中，ISD1110个引脚电压参数如下表：引脚电压引脚电压引脚电压引脚电压10801502202090165V233.5V30100170243.5V40110180255V5012019026060130200273.5V70140210285V5.5 电路的时序图第六章 心得体会本次的毕业设计一共经历了三个多月，从Protel 2004的学习到仿真过程的练习，再到自己的产品设计这么几个过程中，每次实践都让我感触颇深，收获匪浅，在每一步的操作过程中都会学到很多新的知识，同时也巩固了自己的专业基础知识，充实了自己的理论知识的同时也锻炼了自己的实践能力。并且在此过程中还锻炼了自己在制作产品上的逻辑思维，知道了要设计一个产品需要什么必备条件，和在设计该产品时候的逻辑步骤。以及在此期间要做什么，该做什么，什么时候做什么。总之在设计产品上的步骤比较严密，有一定的规律可寻。在这条严密的步骤中也可以通过自己较简捷的方法来实现它完成它，设计目的就达到。在对Protel 2004 六周的学习过程中完全掌握了该设计软件的基本使用方法和设计流程。当然在学习的时候肯定会遇到不少的问题，不过在自己的不懈努力下以及老师的帮助下一一解决了这些设计过程中遇到的问题。在此首先对老师表示深切的感谢！ 最后应该是在10秒录音电路设计上的苦与乐吧。单从原理图设计的开始一直到产品的仿真调试这么长的设计过程中都一直在出现问题和解决问题徘徊。在原理图到PCB图的过程中遇到的问题大多都是Protel 2004软件上的问题，包括（元件封装、调库、查找元件、调入PCB板、放置元件、布局、自动布线、放置汉字等）。随着对软件的熟悉，这些问题就迎刃而解了，先前的问题也就不是什么大的问题了。以后的就是印制板制作及仿真中遇见的问题了。经过不断的探索，终于解决了全部的问题。这只是一次我实践的开始，以后的“实践”路还很长，通过这次毕业设计的制作大大提高了我的个人能力，也证明了我的能力。参考文献1 夏路易、石宗义编著 电路原理图与电路板设计教程 北京希望电子出版社 20062 清源计算机工作室编著 Protel 2004原理图与PCB及仿真 机械工业出版社 20063 田淑华主编 电路基础 机械工业出版社 20044 闰海姣主编 鹦鹉学舌 5 2006版奔流通用语音用户手册 6 陆绮荣主编 电子测量技术 电子工业出版社 20067 http:/www、atvoc、com网站8 http:/www.a-v-伊凡电子网致 谢首先感谢电子科大成都学院为我们提供了良好的教学设施和设计环境，为我们能顺利完成毕业设计提供了很好的物质基础。在完成本设计的整个过程中，从Protel 2004的学习到本设计论文的完成经历了很多的困难，但在老师的精心指导下一一解决了这些的问题，在此对老师表示深切的感谢！ 附 录十秒录音电路元件清单：序 号名 称规 格数 量备 注1录音集成电路ISD111012轻触按钮33扬声器16欧姆 0.25W14话筒15发光二极管红16电阻1/4W 1K2金属膜7电阻1/4W 5.1K1金属膜8电阻1/4W 10K2金属膜9电阻1/4W 100K3金属膜10电阻1/4W 470K1金属膜11电容0.001UF 16V1独石、涤纶12电容0.1UF 16V4独石、涤纶13电容4.7UF 16V1电解14电容220UF 16V1电解21