【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擇 ISD1400 系列語(yǔ)音芯片目前已被用于微型固體錄音機(jī)、通訊、電話、車船、飛機(jī)黑匣子、有聲電子信函、語(yǔ)音信箱、高級(jí)玩具等。本設(shè)計(jì)選擇的 ISD1420 單片語(yǔ)音錄2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 放芯片也使 ISD1400 系列的一種。 ISD1420 與計(jì)算機(jī)、 CPLD 相結(jié)合，應(yīng)用前景十分廣闊。 ISD1420 可分段存貯 20 秒語(yǔ)音信息，按每秒鐘可讀 3 個(gè)漢字計(jì)算， 20 秒可分段貯存 609 多個(gè)漢字語(yǔ)音 [10]。將 ISD1420 的 A0～ A7 與 CPLD 的 I/O 口連接，這樣可單獨(dú)提取 160 段語(yǔ)音信息，并在軟件的支持 下可自動(dòng)組合成若干段完整的長(zhǎng)短語(yǔ)句。 例如在 ISD1420 中分段存入 “解放碑 ”、 “兩路口 ”“下一站 ”等語(yǔ)音信息，在 CPLD 的控制下，通過(guò)與顯示電路配接，便可制成語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)。此外，還可以開(kāi)發(fā)出 “會(huì)說(shuō)話的電子稱 ”、“出租車自動(dòng)語(yǔ) 音 報(bào)價(jià)器 ”、 “多路語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng) ”等新穎電子電器產(chǎn)品。 以下將詳細(xì)介紹 ISD1420 語(yǔ)音芯片的功能特性和應(yīng)用方法。 1. ISD1420 芯片功能特性 [10] ISD1420為美國(guó) ISD公司出品的單片語(yǔ)音錄放電路。內(nèi)部電路由振蕩器、語(yǔ)音存儲(chǔ)單元、前置放大電路、抗干擾濾波器和輸出放大器組成 [10]。最小的錄放系統(tǒng)僅由一個(gè)麥克風(fēng)、一個(gè)喇叭、兩個(gè)按鈕、一個(gè)電源和少數(shù)電阻電容組成。錄音內(nèi)容存入 E2PROM永久存儲(chǔ)單元，具有零功率信息存儲(chǔ)功能，這個(gè)獨(dú)一無(wú)二的方法是借助于美國(guó) ISD公司的專利 ——直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)（ DAST TM）實(shí)現(xiàn)的。利用它，語(yǔ)音和音頻信號(hào)被直接存儲(chǔ)，以其原本的模擬形式進(jìn)入 E2PROM存儲(chǔ)器。直接模擬存儲(chǔ)允許使用一種單片固體電路方法完成其原本語(yǔ)音的再現(xiàn)，不僅語(yǔ)音音質(zhì)優(yōu)美，而且具有斷電語(yǔ)音保護(hù)功能 [10]。 ISD1420采用 CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器，話筒前置放大、自動(dòng)增益控制、防混淆濾波 器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及 E2PROM陣列 [10]。在錄放音操作結(jié)束后，芯片自動(dòng)進(jìn)入低功耗節(jié)電模式，功耗僅為 。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣直接存儲(chǔ)在片內(nèi)單個(gè) E2PROM單元中，能夠非常真實(shí)、自然的再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)的效果，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和 “金屬聲 ” [10]。此外， E2PROM單片可反復(fù)錄音十萬(wàn)次。 （ 1） 特點(diǎn) [10]： ●所需外圍元件少，電路簡(jiǎn)單，操作方便。 ●采用直接模擬量存貯技術(shù) DAST（ Direct Analog Strorage Technology），再現(xiàn)優(yōu)質(zhì)原聲，沒(méi)有常見(jiàn)的背景噪聲。 ●零功率信息存貯，省掉備用電源。 ●信息可保存 10 年以上，可反復(fù)錄放達(dá) 10 萬(wàn)次之多。 ●語(yǔ)音固化無(wú)需專用編程或開(kāi)發(fā)裝置。 ●較強(qiáng)的選址能力，可把存儲(chǔ)器分成 160 段來(lái)進(jìn)行管理。 ●具有自動(dòng)省電模式，此時(shí)僅需 的保持電流。 ●單一電源供電。 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 （ 2） 電氣特性 [10]： ●工作電壓 VDD： 5V. ●靜態(tài)電流 ISTB：典型值 ，最大值為 2181。A. ●工作電流 IOP：典型值 15mA,最大值 30mA[10] 2． 引腳功能說(shuō)明 下圖為 ISD1420 的 引腳圖 [10] 圖 ISD1420 引腳圖 表 各管腳功能表 名稱 管腳 功能 名稱 管腳 功能 A0~A5 1~6 地址 ANA OUT 21 模擬輸出 A A7 10 地址（ MSB） ANA IN 20 模擬輸入 VCCD 28 數(shù)字電路電源 AGC 19 自動(dòng)增益控制 VCCA 16 模擬電路電源 MIC 17 麥克風(fēng)輸入 VSSD 12 數(shù)字地 MIC REF 18 麥克風(fēng)參考輸入 VSSA 13 模擬地 PLAYE 24 放音（邊沿觸發(fā)） SP+、 1 15 喇叭輸出 +、 REC 27 錄音 XCLK 26 外接定時(shí)器（可選） RECLED 25 發(fā)光二極管接口 NC 122 空腳 PLAYL 23 放音（電平觸發(fā)） 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 各管腳功能描述如下 [10]： （ 1） A0～ A7： 地址輸入端 。 ISD1420除 A3外 ，其余均為空腳 (NC)。 ISD1420的地址輸入端具有兩個(gè)功能： ① 作為信息地址線用 (A6或 A7為低電平 )； ②作為操作模選擇用 (A6和 A7均 為高電平 )。 （ 2） MIC： 駐極體話筒輸入端 。 此端 內(nèi)置 片內(nèi)前置放大器。片內(nèi)自動(dòng)增益控制電路（ AGC）將前置增 益控制在 15 至 24dB。 駐極體話筒通過(guò)電容 C將音頻信號(hào)耦合到該輸出端， C的電容值與該端內(nèi)阻 (10KΩ)決定 ISD1420通頻帶下限頻率。 （ 3） MIC REF： 駐極體話筒參考輸入端 。 此端是前置放大器的反向輸入。當(dāng)以 差分形式連接話筒時(shí)，可減小噪聲，提高共模抑制比。 （ 4） ANA IN： 模擬信號(hào)輸入端 。 該端經(jīng) C、 R與 ANA OUT端相連，語(yǔ)音通頻帶下限頻率取決于 C、 R和該端輸入阻抗 ()，除 MIC端，該端亦可作為模擬信號(hào)輸入端。 （ 5） ANA OUT： 來(lái)自駐極體話筒的輸入信號(hào)被放大輸出至該端，前 置放大器的電壓增益取決于 AGC電平，對(duì)于小信號(hào)輸入電平，其最大增益為 24dB。 （ 6） AGC： 自動(dòng)增益控制端 。 AGC可動(dòng)態(tài)地調(diào)整前置放大器增益，而且可擴(kuò)展加大 MIC輸入端的非失真信號(hào)的范圍。 AGC的響應(yīng)時(shí)間是由 AGC內(nèi)阻抗(5kΩ)和外部電容 C來(lái)決定的；釋放時(shí)間是 C和 R的 RC時(shí)間常數(shù)決定的。 （ 7） SP＋、 SP－ ： 喇叭輸出端 。 該端可直接驅(qū)動(dòng) 16Ω以上 喇叭，可利用單端輸出驅(qū)動(dòng)喇叭，也可采用雙端輸出驅(qū)動(dòng)喇叭。雙端輸出信號(hào)的功率是單端的四倍。單端輸出則需要該腳與喇叭之間串接 100μF的交流耦合電容。 （ 8） XCLK： 外接時(shí)鐘振蕩端 。 該端在實(shí)際應(yīng)用中通常接地， 芯片內(nèi)部的采樣時(shí)鐘在出廠前已調(diào)校， 保證了標(biāo)稱的最小錄音時(shí)間。商業(yè)級(jí)芯片在整個(gè)溫度各電壓范圍內(nèi)，頻率變化在 +%內(nèi) ,并保證最小錄放時(shí)間，所以有些芯片的錄放時(shí)間比標(biāo)稱的值稍大。工業(yè)級(jí)芯片在整個(gè)溫度和電壓范圍內(nèi)， 頻率變化在 +5%內(nèi)，建議使用穩(wěn)壓電源 。 如果需要更高的計(jì)時(shí)精度，該端可外接時(shí)鐘電路。 （ 9） RECLED： 發(fā)光二極管接口 。 當(dāng)錄音時(shí)，該端輸出低電平，發(fā)光二極管LED亮。當(dāng)錄音停止或存儲(chǔ)器錄滿時(shí)， LED熄滅。 （ 10） PLAYE： 邊沿觸發(fā)放音控制端 。 當(dāng)該 端輸入一低脈沖，電路即進(jìn)入放音狀態(tài)，直到結(jié)束，電路自動(dòng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。 （ 11） PLAYL： 電平觸發(fā) 放 音控制 端 。 當(dāng)該端電平變低并保持，電路進(jìn)入放2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 音狀態(tài)，放音結(jié)束后電路進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。 注： 放音過(guò)程中當(dāng)遇到 EOM 或內(nèi)存結(jié)束時(shí)，如果 /PLAYE 或 /PLAYL 仍處在高電平，芯片雖然也進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)（內(nèi)部震蕩器和時(shí)鐘停止工作），但是由于芯片沒(méi)有對(duì) /PLAYE 和 /PLAYL 的上升沿進(jìn)行消顫，隨后在這兩個(gè)引腳 上出現(xiàn)的下降沿（例如釋放按鍵時(shí)的抖動(dòng)）都會(huì)觸發(fā)放音。 （ 12） REC： 錄音觸發(fā)端 。 錄音期間該端必須一 直保持低電平 才有效 。 REC鍵優(yōu)先于 PLAYE或 PLAYL其中一個(gè)放音鍵。如果在放音期間，遇 REC接低電平，放音立即停止，自動(dòng)進(jìn)入錄音狀態(tài)。 （ 13） VSSD、 VSSA： 數(shù)字地和模擬地 。 芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路也使用不同的地線 。 （ 14） VCCD、 VCCA： 數(shù)字電路電源正端和模擬電路電源正端 。 芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝上，這樣可使噪聲最小。模擬和數(shù)字電源端最好分別走線，盡可能在靠近供電端處相連，而去耦電容應(yīng)量靠近芯片。 3. ISD1420 的操作模式 ISD1420 地址輸入 端具有雙重功能，根據(jù)地址中的 A A7 的電平狀態(tài)決定 A0～A7 的功能。如果 A A7 有一個(gè)低電平， A0～ A7 輸入全解釋為地址位，作為起始地址用，此時(shí)地址線僅作為輸入端，在操作過(guò)程中不能輸出內(nèi)部地址信息。根據(jù) PLAYE、PLAYL 或 REC 的下降沿信號(hào)，地址輸入被鎖定。如果 A A7 同為高電平時(shí)，它們即為模式位。 使用操作模式有兩點(diǎn)要注意 [10]： （ 1） 所有初始操作都是從 0 地址開(kāi)始。 0 地址是 ISD1420 存儲(chǔ)空間的起始端，后面的操作可模擬模式的不同，而從不同的地址開(kāi)始工作。當(dāng)電路中錄放音轉(zhuǎn)換將進(jìn)入省電 狀態(tài)時(shí)，地址計(jì)數(shù)器復(fù)位為 0。 （ 2） 當(dāng) PLAYE、 PLAYL或 REC變?yōu)榈碗娖?，同時(shí) A A7為高電平時(shí)，執(zhí)行地址線所對(duì)應(yīng)的操作模式。這種操作模式一直執(zhí)行到下一個(gè)低電平控制輸入信號(hào)出現(xiàn)為止。 表 操作模式簡(jiǎn)表 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 操作模式可以與微控制器一起使用，也可用硬件連線得到所需系統(tǒng)操作。 A0：信息檢索（僅用于放音工作狀態(tài)）。不知道每個(gè)信息的實(shí)際地址， A0 使操作者快速檢索每條信息， A0 每輸入一個(gè)低脈沖，可使利內(nèi)部地址計(jì)數(shù)器跳到下一個(gè)信息。這種模式僅用于放音工作，通常與 A4 操作同時(shí)應(yīng)用。 A1：用于刪除 EOM 標(biāo) 志（僅用于錄音工作狀態(tài)）。 A1 可使錄入的分段信息成為連續(xù)的信息，使用 A1 可刪除掉每段中間信息捷的 EOM標(biāo)志，僅在所有信息后留一個(gè) EOM標(biāo)志。當(dāng)這個(gè)操作模式完成時(shí)，錄放的所有信息就作為一個(gè)連續(xù)的信息放出。 A3：用于循環(huán)重放信息（僅用于放音工作狀態(tài)）。 A3 可使存于存儲(chǔ)空間始端的信息自動(dòng)地連續(xù)重放。一條信息可以完全占滿存儲(chǔ)空間，那么循環(huán)就可以眾頭至尾進(jìn)行工作，并由始至終反復(fù)重放。 A4：連續(xù)尋址。在正常操作中，當(dāng)一個(gè)信息放完，遇到一個(gè) EOM標(biāo)志時(shí)，地址計(jì)數(shù)器就會(huì)復(fù)位。 A4可防止地址計(jì)數(shù)器復(fù)位，使得信息連續(xù)不斷地 放出。 當(dāng)芯片既非錄音又非放音時(shí)，將 A4 短暫拉低可使地址計(jì)數(shù)器復(fù)位為 0。 A A5：未用 。 4. 典型應(yīng)用電路圖 圖 典型應(yīng)用電路圖 上圖是 ISD1420 典型應(yīng)用電路圖，圖中的 “PLAYL”、 “PLAYE”鍵只需選接一個(gè)即可，地址輸入端 A0～ A7 有效值范圍為 00000000～ 10011111,這表明最多可被劃分為 160個(gè)存貯單元，可錄放多達(dá) 160 段語(yǔ)音信息。由 A0～ A7 決定每段語(yǔ)音的起始地址，而起始地址又直接反映了錄放的起始時(shí)間。 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 為 ISD1420 分段原理圖 [12]： 圖 ISD1420 分段原理圖 圖中 A0～ A2 置為低電平，此時(shí)電路共分為四段。 A3～ A7 平時(shí)通過(guò)電阻 R6～ R13接至高電平，如果要將某一地址置低電平時(shí)，則在該位與地之間接一個(gè)隔離二極管。圖 5 中的各段的起始地址和時(shí)間安排如下： 第一段語(yǔ)音從 0 秒開(kāi)始，地址設(shè)置為 00000000； 第二段語(yǔ)音從 2 秒開(kāi)始，地址設(shè)置為 00010000； 第三段語(yǔ)音從 5 秒開(kāi)始，地址設(shè)置為 00100000； 第四段語(yǔ)音從 12 秒開(kāi)始，地 址設(shè)置為 01010000； ???????? 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)每段語(yǔ)音的起始時(shí)間，自行設(shè)置相應(yīng)的 A0～ A7 組合。錄放時(shí)，將 S5 打致 “REC” ，再按住 S1， LED 亮就開(kāi)始錄音，錄音時(shí)間致 2 秒時(shí)就必須松一下 S1,否則下一段無(wú)效。錄制其它段的方法相同。分段放音時(shí)，先將 S5 打向“PLAY” ，中需按下相應(yīng)的 S1～ S4 鍵就可以播放出不需要接編碼隔離二極管，地址輸入端 A0～ A7 直接連 CPLD 控制芯片、計(jì)算機(jī)的 I/O 口。 音頻功率放大器的選擇 為了使系統(tǒng)報(bào)站時(shí)語(yǔ)音清晰響亮，本設(shè)計(jì)增加了音頻功率 放大器 LM386。 LM386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 為 20。但在 1 腳和 8 腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至 200[13]。輸入端以地位參考，同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半，在 6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為 24mW,使得 LM386 特別適用于電池供電的場(chǎng)合。 LM386 的封裝形式有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式 [13]。 LM386 的外形和引腳的排列如圖所示 [13]。引腳 2 為反相輸入端， 3 為同相輸入端；引腳 5 為輸出端；引腳 6 和 4 分別為電源和地；引腳 1 和 8 為電壓增益設(shè)定端；使用時(shí)在引腳 7 和地之間接旁路電容，通常取 10μF。 圖 LM386 的引腳圖 LM386 的電路特性 [12]： （ 1） 靜態(tài)功耗低，約為 4mA,可用于電池供電 ；