目 录
摘要................................................................ 1 1 绪言.............................................................. 2
1.1课题背景..................................................... 2 1.2课题研究的目的和意义......................................... 2 1.3国内外概况................................................... 3 2方案比较与论证 .................................................... 3
2.1方案一....................................................... 3
2.1.1器件操作方式的选择 ..................................... 3 2.1.2 A/D、D/A及存储芯片的选择 .............................. 4 2.2方案二....................................................... 5
2.2.1控制方式 ............................................... 5 2.2.2放大器及A/D、D/A芯片的选择 ............................ 5 2.3方案三....................................................... 5 3系统总体结构 ...................................................... 6 4 电路设计.......................................................... 7
4.1拾音器....................................................... 7 4.2放大器的设计................................................. 8 4.3有源带通滤波器设计.......................................... 10 4.4可调稳压电源的设计.......................................... 12 4.5 51/52系列单片机............................................ 13 4.6 D/A、A/D转换器............................................. 24
4.6.1 D/A转换器DAC0832介绍 ................................ 24 4.6.2 A/D转换器ADC0809介绍 ................................ 28 4.6.3 存储器的选取.......................................... 30 4.6.4 ZLG7289介绍 .......................................... 31 4.6.5 串口通信电路介绍...................................... 32 4.6.6 ISP下载电路 .......................................... 33
5 软件设计......................................................... 33 6 总结与展望....................................................... 36 7 致 谢............................................................ 36 附录............................................................... 36
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摘要
传统的磁带语音录放系统因其体积大、使用不便,在电子与信息处理的使用中受到许多限制。本文提出的体积小巧，功耗低的数字化语音存储与回放系统将完全可以替代它。数字化语音存储与回放系统的基本原理是对语音的录音与放音的数字化控制。其中，关键技术在于，为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信号进行压缩后再存储，而在回放时再进行解压缩，同时,对输入语音信号进行数字滤波以抑制杂音和干扰,从而确保了语音回放的可靠质量。
本系统能够对语音信号分别进行数据的采集直存直取,欠抽样采样和自相似增量调制等三种方法,完成了对语音信号的存储与回放。前置放大、滤波以及电平移位电路将语音信号控制在A/D转换器采样控制范围内以保证话音信号采样不失真。带通滤波器合理的通带范围有效的滤除了带外噪声，减小了混叠失真。后置带通滤波器用于滤除D/A转换产生的高频噪声以保证回放时音质清晰，无明显失真。
本系统设计共分为七大模块：声音采集模块、带通滤波模块、A/D转换模块、数据存储模块、D/A转换模块、按键选择模块、放大器模块。声音采集模块用于外部语音信号，带通滤波模块作用是将声音转换后的电信号进行滤波（本系统含有两个带通滤波模块，前一个对输入电信号进行滤波，后一个对D/A转换后的电信号进行滤波），数据存储模块用于存储数字化处理后声音信号的数据，D/A转换模块将数字信号转换为模拟信号输出，音频放大模块则是将采集的信号最终进行回放以检验系统整体性能，按键选择模块则是对录、放音、数据分段存取等功能进行选择。
1绪言
本结题报告主要是用于阐述数字化语音存储与回放系统的研究背景、现状及
发展方向，并且指出了传统的语音存储与回放系统的缺陷和面临的问题，以及数字化语音存储与回放系统的优点和发展前景。
1.1课题背景
数字化语音存储与回放系统，以微处理芯片为核心，具有语音可控、 回 放灵活、无磨损、可靠简单等特点。因而在各类公共设施、智能仪表、家用电子产品等领域有着广泛的应用。语音存储与回放系统的实现具有多种方式，一种是利用单片集成的语音存储与回放芯片，如美国ISD公司的ISD1420等；另一种是以微控制器为核心，辅以A/D转换，D/A转换以及大容量的存储器。而单片集成
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的语音存储与回放芯片，一般智能性较差，不容易解决音量的问题，同时存放录制的时间有限，不能灵活的变化。因此，在多数需要语音的存储与回放的场合，采用了基于微控制器的语音存储与回放系统。
1.2课题研究的目的和意义
目前，广为流传的语音存储手段为磁带记录（现已逐渐转为数字化存储），其体积大、使用不便,在电子与信息处理的使用中受到许多限制。所以数字化存储方式是未来发展的趋势。我们在这里将语音信号的存储建立在数字化的基础上，同时为了降低噪声提高语音质量和音量的稳定性采用了带通滤波器和自动增益控制电路。
1.3国内外概况
自从爱迪生1877年发明留声机以来，音响技术已有百余年的发展历史，在这期间，记录存储各种声音的载体，传输与播放语音技术的发展可谓日新月异。该系统采用单片机对录音、放音、快进、暂停等功能实现控制，用DSP技术对语音信息进行处理，用SRAM存储器进行存储，提高了语音的回放质量和延长了存储时间，与盒式磁带录音机相比避免了机械传动噪音，音质好，功耗低，具有时钟功能，而且人机界面友好，又用中断方式控制录音、放音的过程，实现了语音存储与回放的数字化。
2方案比较与论证
2.1方案一
2.1.1器件操作方式的选择
由于要实现语音的存储与回放，而且要由相关的按键操控以及人机接口，所以与单片机连接的外围器件很多，对器件的组织和读写操作是实现简单操作的关键。经典51内核的单片机对外裸露总线(通常意义的“三总线”——数据总线、控制总线、地址总线)，其内部硬件会产生总线控制时序，因此充分利用单片机的片内资源将会使系统软件的设计变得简单。如果采用纯软件的方法模拟器件操作时序来对器件操作，那么系统的软件设计将会很复杂并且实时性不高，而且单片机的片内资源没有得到充分的利用。鉴于51单片机对外裸露总线的特点，设计系统时宜采用总线控制的方式。
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2.1.2 A/D、D/A及存储芯片的选择
要实现语音信号的采集，就需要A/D转换芯片；而语音得生成过程则可以看成是语音采集过程的逆过程,但又不是原封不动地恢复原来的语音,而是对原来语音的可控制、可重组的实时恢复。在放音时,只要依原先的采样直经D/ A 接口处理,便可使原信号重现。
（1）A/D转换芯片的选择 根据题目要求采样频率fs=8KHz，字长为8位，可选择转换时间不超过125μs的八位A/D转换芯片。目前常用的A/D转换实现的方法有多种，鉴于转换速度的要求，我们采用目前较为通用的A/D转换芯片ADC0809。该芯片是中低速8位逐次比较型A/D转换器，典型转换时间为100us，最大外接时钟振荡频率fm=1280KHz；具有外围扩展元件元件少、功耗低、精度高等特点。
（2）D/A转换芯片的选择 D/A转换芯片的作用是将存储的数字语音信号转换为模拟语音信号，由于一般的模拟转换器都能达到1μs的转换速率，足够满足题目的要求，故我们在此选用了通用D/A转换器DAC0832。
（3）数据存储器的选择 当采样频率fs=8KHz，字长为8位时，一秒钟的语音信号需要占用8K字节的存储空间，要存储10s的语音信号则存储器至少需要有80KB的容量。在这里我们利用8片UT62256构成存储器阵列，借助单片机的P1、P2端口参与地址选择，采用译码器分页存储模式，可将系统的数据存储空间扩展至128kB，以128kB空间存储原始语音信号和DPCM码，语音回放时间可达16s和32s，达到题目要求。
2.2方案二
系统采用MCS-51系列单片机，扩展128kB的外部SRAM数据存储区，同样采用DPCM方式对采集的数据进行编码压缩，另外采用了两只立体声话筒作输入，有效抑制背景噪声。经差分放大，用性能良好、低漂移运放构成的有源带通滤波器进行滤波，以及??f/fs?/sin??f/fs?校正电路进行信号补偿。 2.2.1控制方式
控制器采用单片机实现，单片机人机界面好，并且具有一定的可编程能力 对于语音信号（最高频率约为3.4kHz，8kHz采样频率），12MHz晶振频率的51单片机以足以胜任（每个采样周期125us，相当于125/2=62个机器周期，平均执行31条指令）。
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2.2.2放大器及A/D、D/A芯片的选择
为减少系统噪音电平，增加系统动态范围，防止阻塞失真等，本放大器中设置自动增益控制电路。其有模拟和数字两种实现方式。数字式精度高，控制范围大但比模拟试复杂，因此本方案采用传统的模拟试AGC来实现。采用TDA2030A作为功率放大可驱动喇叭发声，并具有一定的功率余量[7]。
A/D,D/A及存储芯片的选择：由于题目要求语音信号的最高频率为4kHz，根据奈圭斯特采样定理，采样频率取fs=8kHz（周期TS=125?s）,即可无失真的恢复原语音。在无特殊要求下，字长选取八位即可，但考虑到系统的可扩展性所以采用了转换时间为此4.5?s的AD7819。根据同样的分析，变换频率选取8kHz，采用DAC0832。存储器采用128KB的SRAM ——IS62C1024实现。
2.3方案三
该方案以单片机STC89C52为核心器件，以128kB SRAM阵列为数据存储器。STC89C52的典型时钟为12MHz指令周期为1us可以在要求的125us采样间隔执行系统工作还可同时对A/D转换器输出的数字语音信号进行增量调制??M?或差分脉码调制（DPCM），?M和DPCM是两种语音压缩编码技术，可分别将语音速率由64kb/s压缩到8kb/s和32kb/s。另外，为加长录音与回放时间，我们利用ATMEL的闪速存储芯片AT45DB161（2MB）存储数据；该芯片具有容量大、读写速度快、占用I/O端口资源少、操作简单等优点，单片可存储录音256s，如果再将采样的数据进行DPCM压缩，则存储时间可达512s，大大超出题目要求。
以上三种方案均有其可取和不足之处，考虑到其易行性、简便性等多种因素决定采取第一种方案。
3系统总体结构
数字化语音存储与回放系统的基本设计思想是通过拾音器将声音信号转化成电信号，再经过放大器放大，然后通过带通滤波器滤波，模拟语音信号通过模数转换（A/D）转换成数字信号并存放于存储介质中，再通过单片机控制将数据从存储器中读出，然后通过数模转换（D/A）转换成模拟信号，经放大再扬声器或耳机上输出。
整个系统框架图如图3.1所示：
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