测试说明一下通用语音采样电路 ...... 矜辰所致前言最近不是有语音应用的需求之前研究了一下音频的播放最近还需要进行语音采集也是做了一些功课研究了一下常用的语音采样电路。所以本文主要就是聊一下语音采样基础以及采样电路测试分析 。我是矜辰所致全网同名尽量用心写好每一系列文章不浮夸不将就认真对待学知识的我们矜辰所致金石为开目录前言一、基础说明1.1 内部结构与工作原理1.2 静态电压与偏置电路1.3 偏置电阻取值1.4 MEMS 硅麦克风1.5 一些补充说明二、语音采样电路2.1 电路一通用电路2.1.1 MIC 头型号2.1.2 MIC 供电和偏置电阻2.1.3 隔直电容和直流偏置2.1.4 反馈网络2.1.5 输出滤波2.2 电路二低成本结语一、基础说明先简单介绍一下 MIC 麦克风工作原理现在有了 AI 原理介绍这种基础的内容大家不懂的都可以自行网上搜索所以我们就简单的介绍一下即可。1.1 内部结构与工作原理以常见的驻极体 MIC 为例驻极体 MIC 内部本质上是一个可变电容器 一个 JFET场效应管。它的声音到电信号的转化过程声波 → 振膜振动 → 极板间距 d 变化 → 电容 C 变化 → 电压变化V Q/C→ JFET 阻抗变换/放大 → 输出低阻抗电信号说明振膜上的驻极体电荷 Q 基本恒定所以电容变化直接转化为电压变化。但电容本身产生的信号极其微弱且阻抗极高必须靠内部 JFET 转换成低阻抗信号才能输出。1.2 静态电压与偏置电路MIC 不能直接接电源必须通过一个外部偏置电阻接到 VCCJFET 需要直流偏置才能工作设置静态工作点偏置电阻给 JFET 提供工作电流无声状态无声时JFET 存在恒定静态漏极电流 Id 。电源 VCC 经过偏置电阻接到 MIC 输出端电流流过偏置电阻 R 产生压降输出端维持一个稳定直流静态电压。静态电压由 供电电压 VCC、偏置电阻 R、JFET 静态电流 Id 三者共同决定。有声状态有声音时内部电流随声音起伏偏置电阻上的压降也随之起伏最终在输出端表现为静态直流电压上叠加了一个交流音频信号声音越响 → 振膜振幅越大 → 交流信号振幅峰峰值越大声音频率 → 对应电压波动频率MIC 输出会串联一个隔直电容滤掉静态直流只保留交流音频信号送去放大。1.3 偏置电阻取值首先肯定是参考使用数据手册标注参数进行选取MIC 的 Datasheet 上应该有 推荐工作电压推荐偏置电阻阻值典型工作电流 。查看不到手册的情况按照常用的 2.2kΩ 2V 试配关键是要知道偏置电阻的影响偏置电阻过大灵敏度下降、噪声变大、声音失真信号顶部被削静态电压被拉得太低FET 无法正常工作偏置电阻过小静态电流变大输出音频振幅变小。1.4 MEMS 硅麦克风硅麦属于集成化产品。把原本驻极体 MIC 中分离的 “ 电容传感 JFET ” 做进了半导体工艺还集成了更完整的信号调理电路 。对于我们硬件设计来说它最直观是硅麦非数字型不需要偏置电阻后端放大电路可以是用同一套的同时还需要注意一下 驻极体 MIC 供电通常是宽电压的而硅麦通常是有规定供电电压的 其他的一些细节问题自行查找并不决定我们的电路设计 。另外硅麦比驻极体普遍贵一些的。1.5 一些补充说明一些常见问题的补充说明持续更新人正常情况下说话声音大小和快慢并不影响频率。声音的大小影响的输出的 振幅最终体现就是 ADC 采样的值更大但是它的频率是不变的。说话声音的快慢也不影响频率。除非我们主动提高音调、压低嗓音比如模仿女声 / 男声声带振动速度改变这种才会改变最终信号的频率。二、语音采样电路只要是模拟 MIC送入 ADC 前的链路基本遵循MIC 输出 → 隔直电容 → 前置放大/增益调节 → 抗混叠滤波 → ADC在某些低成本和要求不高的场合作为优化环节的 滤波 可以简化或省略。2.1 电路一通用电路下面是一个标准的通用 MIC 采样电路该电路博主是在 B 站 唐老师讲电赛 视频里面找到的说这个是 TI 的一个采集参考电路。框架一样只是博主的阻容有细节调整这个都看个人的需求下文博主也会讲解阻容如果要调整应该怎么调整实际测试的时候博主都没有焊接运放输出端的低通滤波器 。所有的 驻极体 MIC 语音采集电路基本都是这个框架如果是硅麦的话只是前面不需要偏置电阻直接给一个电源麦克风输出串电容到放大电路即可比如如下示意图2.1.1 MIC 头型号对于 MIC 头并不需要固定某一款型号基本上通用模拟 MIC 头都是可以的 硅麦 和驻极体都是可以使用此电路的 。比如某宝某店的 3 毛钱一个的 MIC 头子就可以比如博主测试的板子上面有 3 个头子一个硅麦2个驻极体测试都可以使用此电路OK我们来分析一下上面这个通用电路。另外关于下文提到的滤波器与运放的相关基础知识可参考博主之前的文章电路基础知识 —— 滤波器带你理解运算放大器2.1.2 MIC 供电和偏置电阻首先是供电部分和偏置电阻部分在上图中R23 为 MIC 偏置电阻前面那些阻容都是电源滤波器电源滤波器并不是必要的只是推荐简单的 MIC 供电电路如下供电部分要知道的知识点为偏置电阻决定 MIC 工作电流电流约等于 (Vcc - V_FET) / R 。V_FET 是 MIC 内部集成耗尽型 JFET正常放大信号时漏源之间存在的直流压降 V_DS工程常简写为V_FET 典型 0.7~2V。设计偏置电阻时需要根据偏置电阻计算 MIC 静态电流MIC 推荐静态电流约 0.3~0.5mA 。电流大小直接影响 MIC 输出信号幅度 电流越大输出信号幅度越大。2.1.3 隔直电容和直流偏置接下来 MIC 输出串联耦合电容隔直这里比较简单按理来说这个就是交流信号了经过放大就是最终我们需要的信号了但是实际应用电路中都会给一个直流偏置 (上图中电阻分压后大概 1.72V )这是因为ADC采集只能采直流还有单电源供电运放只能是交流叠直流 。所以我们需要一个直流偏置给电路一个静态工作点但是我们又不能放大这个直流偏置所以在反馈网络里面需要处理使得只放大交流的 MIC 输出信号。单电源运放必须用分压电阻将同相输入端IN偏置到大概 Vcc/2 的位置这是电路正常工作的前提。MIC 交流信号也通过耦合电容进入 IN。同时在这个部分这个隔直电容会与 运放偏置分压电阻的并联值组成高通滤波器电容越大低频保留越多 。2.1.4 反馈网络反馈网络先看最基础的放大倍数只看电阻由 R22 和 R21 决定放大倍数为1 200K/820 245 倍 。 实际应用中大家根据自己的需求调整即可。C23 R22 :我们知道前面我们有一个直流偏置 1.72V 左右的电压 我们只需要放大交流信号不希望直流偏置被放大这个关键的电容就是 C23 , 它把直流隔开,使得直流没有放大。同时它又与 R22 构成一个 RC 高通滤波器 :截止频率 fc 1 / (2π × R22 × C23) 1 / (2π × 820 × 0.47e-6) ≈ 410 Hz低于 400Hz 左右的声音比如低频嗡嗡声、震动噪声会被衰减掉。对语音来说这个截止频率略高是为了更好地抑制低频环境噪声,可根据实际需求调整。C24R21 :C24R21 本质上是一个低通滤波器:fc 1 / (2π × R21 × C24) 1 / (2π × 200K × 51e-12) ≈ 15.6 kHz15.6kHz 的截止频率在音频带外但可以滤除 AM 广播、开关电源噪声等高频干扰避免这些信号混叠进有用频段。所以总结上面分析,如果调整放大倍数的电阻,对于的构成滤波器的电容也有必要跟着调整 。实际的放大倍数要根据自己实际的测试结果如果测试的时候正常说话发现波形很容易超过上下限上图示例为 0~ 3.3V那么就得调整放大倍数如果发现波形上下波动过小就得加大放大倍数。 当然还需要配合采集芯片的 ADC 的量产范围来选择一个合适的值 。2.1.5 输出滤波输出端的 R20 C22 是一个基础的低通滤波器截止频率 fc 1 / (2π × 820 × 150e-9) ≈ 1.3 kHz示例图中这个截止频率比较低是应该是针对特、简单语音指令识别有意把带宽收窄抑制带外噪声。博主测试并没有焊接这个低通滤波器,一样是可以正常采集然后 AI 语音识别正常的。这里简单给大家看一下示波器测量的效果没有说话的时候 1.72V 稳定电压有声音的时候上下波动额外提一下上面原始电路的放大倍数是很大的很容易采样溢出超过上下限上图是博主缩小后的其中刚开始因为对着 MIC 距离很近也能看到输出达到最大值被切断了所以放大倍数需要根据实际的应用结合实测的效果进行合理的调整的。2.2 电路二低成本另外再介绍一个电路此电路是沁恒语音遥控器的 DEMO 电路示例使用的是硅麦所以只需要供电就能直接输出供电根据手册推荐选择也可使用 GPIO 直接驱动。电路没有输出端的滤波电路所以我们只需要分析一下增益电路 个人查询各资料以及 AI 的结果仅供参考。输出经过隔直电容到达三极管放大部分这是一个共射极电压放大电路 元件作用R2 (10K)集电极负载电阻R C R_CRCR3 (100Ω)发射极电阻R E R_ERE提供负反馈稳定工作点R1 (270K)基极偏置 信号输入电阻Q1 (S9013)NPN 三极管核心放大器件PA12输出端就是三极管的集电极信号流向MEMS_OUT输入→ R1 → 基极 → 发射极 → 地。集电极电流变化 → R2 上压降变化 → PA12 电压变化。实际工程里面电阻值用多大是只能根据器件手册和工程经验来估算根据 Rc 、Re 、 VCC、三极管 β 估算一个静态电流确定 R1然后定下增益然后接受一定的误差范围这对麦克风应用完全够用。如果追求精确增益要直接换上面运放标准电路。这里先上一下示波器测试的输出效果上图的无声时候的静态电压大概在 0.59V 左右如果有说话的时候可以看到明显的交流信号波动。在这里我们就以实际的测量结果来计算一下这个电路的放大倍数 1、根据无声时候的 Vout 0.59V 左右算集电极电流 Ic Ic ( Vcc -Vout ) / R2 (1.05V−0.59V) / 10K 46uA2、算发射结交流小信号电阻 rere 26mv / Ie ≈ 26mv / Ic 26mv / 46uA ≈ 565Ω.解释一下几个东西re 是什么东西re 为发射结交流小信号电阻它是三极管发射结BE结对交流信号的阻碍程度 。BE 结就像一个非线性电阻直流偏置不同时它对交流信号的阻力也不同。电流越小re越大。它等于热电压除以工作电流。.26mV 是什么东西26mV 就是常温下25~27°C的热电压是一个物理常数它来自半导体物理的热电压公式。3、计算电压放大倍数共射极电路的电压增益公式Av - Rc / (re Re) - 10K /(565Ω 100Ω) ≈ -15按照目前情况来看这个放大倍数为 15 这个电路不太适合精确调整放大倍数改任何电阻都会牵一发而动全身只是可以朝着这个方向去改比如减小R1 增大 R2 R3并联电阻这些不要同时进行不要验证实际效果需要实际测试有兴趣的小伙伴自行研究。PS 再次声明这个电路的分析结果仅供参考有错误请指正 。结语本文说明了一下语音采集电路的基本原理分析了两种语音采样电路在实际的应用中大家根据自己的需求选择合适自己的电路希望文章对大家有所帮助 。好了本文就到这里。谢谢大家
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