语音集成电路入门速成三部曲

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语音集成电路入门速成三部曲

基础篇
  青少年爱好者初涉电子技术领域,不妨先从最新颖的电子器件--音乐集成电路和语音集成电路入手,一开始就贴近新知识、新技术,从较高层次入门电子技术,由此走进异彩纷呈的电子世界大观园,亲身去体验和感悟电子科学的神奇与奥秘。如果说《小芯片大用处》那组文章是作者试图通过30个有趣的小电路,构筑成一架纷繁变幻的电子万花筒奉献给青少年朋友的话,那么《语音集成电路入门速成三部曲》,则是作者力求从基础知识、电路资料和实用范例等方面出发,让青少年爱好者在实践中初步学习并掌握一定的电子知识和技能,早日走入电子的世界。
  我们平常所看到和接触到的语音集成电路,其封装形式大部分如图1所示。图1(a)是双列直插式塑料封装集成电路(DIP),俗称硬封装电路,按引脚数分为8脚、14脚、16脚等,每个引脚都有不同的功能。通常引脚越多,集成电路芯片的体积越大,电路功能也越强,价值当然也就越高。图1(b)是印板封装集成电路(COB),俗称软封装电路,它是把集成电路芯片直接封装在印刷电路板上的简易半导体集成器件。软封装电路工艺简单、生产周期短、成本较低,而且可以多次修复,所以合格率非常高。目前消费类电子产品普遍采用这种软封装电路。
语音集成电路入门速成三部曲 语音集成电路入门速成三部曲 语音集成电路入门速成三部曲(b)

  语音集成电路芯片又称裸片,它采用多层光罩技术将语音电路单元和数字化语音信息掩膜在半导体芯片中,其制造工艺非常复杂,生产周期约45天。掩膜前用户必须作以下项目选择:1.触发方式选择一边沿触发(EDGE),触发一次,电路动作一次,即使触发信号持续保持着也只以动作一次;电平触发(LEVEL),触发信号持续保持着,则语音重复输出直到触发停止,最后段语音输出完毕即停止。2.输出方式选择一持续输出(UNHOLD),触发动作一停止,当段语音继续输出到完毕后停止;非持续输出(HOLD),触发动作一停止,语音输出立刻停止。3.单键触发方式选择一循环放音(SEOUENTIAL),每触发一次输出一语音内容,循环播出各段语音;单键全放(PLAY ALL),一次触发后各段语音依次全部播出;随机放音(RING),一次触发后无规律输出各段语音。4.后段盖前段/无后段盖前段选择一在现有的语音段尚未结束时,又触发另一段语音,则前段语音无论播放到何处都立即停止,后段语音将盖过前段而放音,这就叫做后段盖前段。5.矩阵触发/键盘触发方式选择一矩阵触发方式(MATRIX),即利用输出口和输入口纵横交错之点构成触发输入;键盘触发方式(KEYBOARD),既利用十位数键与个位数来组成所要触发之段数。这两种触发方式主要用于超过二十段语音触发。6.发光二极管方式选择一语音输出时,发光二极管以固定频率闪烁;使发光二极管随语音输出信号强弱同步闪烁;与语音输出信号有一同步电平信号输出,驱动发光二极管或产生级连信号。7.输出电流选择一可通过光罩选择输出电源(COUT)分别为1.5mA,3mA和4.5mA等,输出电流小,芯片的功耗就小,且输出音量较小;反之,输出电流大,芯片的功耗则越大,输出音量就较小。
  语音信号的采样频率是决定语音电路音质好坏的最重要因素。一般来说,采样频率必须是语音频带宽度的2信以上,比如,要保存最高频率为6KHz带宽的频谱,这时采样频率最低必须为2×6KHz=12KHz。通常线的带宽为3KHz,如果以电话的音质为准,7KHz的采样频率就能满足要求,而处理一般的音素,用12KHz采样就可基本达到高保真音质的水平。语音电路的数字合成有多种方法,目前最常用的两种方法为清形存储法和参数分析合成法。表1列举了语音合成的几种主要方式。表2列出若干鲜为人知的语音合成电路清单,供读者选用。下面以HT81230语音电路为例,介绍语音电路的主要参数及各种应用电路。
表1
 

方式 比特率
(kbs)
数据编码容易程度 原始语音波形的处理方法
波形存储方式 PCM方式 PCM方式 64~200 容易
(允许实时处理)
基于时间轴的采样之后,A/D转换且数字化
DPCM 32~64 基于时间轴的采样之后,根据原始采样的差分信号A/D转换且数字化
DM 10~32 基于时间轴的采样之后(诸如数据增或减),根据原始采样的差分信号数字化作为一位
预测编码方式 DPCM 10~32 针对一位而言,以DPCM方式优化差分信号值的宽度
ADM 10~32 针对一位而言,以DM方式优化差分信号值的宽度
APC 10~16 算法中是综合了直接波形编码方式和分析合成方式二者的优点
分析合成方式 线性预测编码方式 PARCOR 1.2~9.6 困难
(实时处理困难)
制作一个珍有使用泛音自动校准的灵敏字滤波器的声道模型
LSP 1.2 表示语音频谱,即呈现线频谱密度

 
规则合成方式
 
极其困难 将语音分成音素这个最小单元,另外校准重音和语调

表2
 

序号 语音内容
1 请随手关门
2 请带好钥匙
3 正在消毒,请稍候,请使用
4 禁止合闸,线路有人工作
5 请注意关气
6 酒后别开车,祝你一路平安
7 瓦斯超限,危险,快撤离
8 当!禁止吸烟,禁止烟火
9 请检查灯光,请检查线路,请检查机油
10 请注意车辆,别乱穿马路
11 有电危险,请勿靠近
12 注意保温,注意换尿布
13 叮咚!您好请开门
14 爸爸、妈妈、爷爷、奶奶


 

 

  图2所示为HT81230型2.8秒语音集成芯片脚位座标图,表3是它的脚位座标数据,HT81230型芯片的外形尺寸为2160×2450(μm)2,图3是HT81230型芯片外部接线图。图4是HT81230双列直插塑封集成电路引脚排列图,典型应用电路图见图5所示。表4列出HT81230各引脚功能简单说明,表5是HT81230集成电路电气参数。每种型号的语音集成电路都应给出上述3图3表。初学者通过图2~图5、表3~表5就可以掌握HT81230型语音集成电路的基本特性及应用电路。依据图2、图3,我们可以按照实际需要设计出各种不同的印刷电路板(如图6所示),非常实用灵活。
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表3      单位:μ m

引脚号 X座标 Y座标
1 -949.25 -1040.75
2 -764.25 -1040.75
3 380.75 -1040.75
4 565.75 -1040.75
5 750.75 -1040.75
6 944.75 -1040.75
7 899.75 1023.75
8 714.75 1023.75
9 529.75 1023.75
10 344.75 1023.75


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表4
 

引脚号 引脚名 I/O 功能简介
1 OSC1 I 振荡器输入端
2 FLAG O 发光二极管输入端
3 VSS I 电源负极
4 NC 空脚
5~8 KEY1~KEY4 I 触发输入端
9~13 NC 空脚
14 VDD I 电源正极
15 AUD O 音频输出端
16 OSC2 O 振荡器输出端


 

 

表5
 

名称 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位
VDD 条件
工作电压 - - 2.4 - 5 V
工作电流 3V Fosc=96KHz - 200 400 μA
静态电流 3V - - 1 3 μA
输出电流 3V VOH=0.6V -1.5 -2 - mA
静出电流 3V VOH=0.3V 1.5 3 - mA
高输入电压 - - 0.8VDD - VDD V
低输入电压 - - 0 - 0.2VDD V
振荡频率 3V Rosc=260kΩ 76 96 116 kHz


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  在图6电路中,HT81230语音集成芯片IC一共有10个焊盘,由微电脑铝丝压焊机采用一种比头发还细的特殊金属丝,将它们分别压焊在印刷电路板上,专业人员通过显微镜检查,确认焊接无误,然后用黑色环氧树脂混合胶将芯片封装(图6黑色圆圈部分)。HT81230的10条引脚,分别与图6印刷电路板的10条印制线路相连接,其中第1脚VDD接到电源正(+)端,第⑥脚VSS接电源负(-)端,3V直流电源通过这两条引脚向IC供电。第③脚OSS2和第④脚OSS1之间外接振荡电阻ROSC,适当调整该电阻的电阻值,可改变IC内部的频率,从而达到调节放音速度的快慢。第⑤脚FLAG通过电阻将发光二极管VD接到电源正端,当电路播放语音时,VD发光方式有3种,第1种是放音时长亮,第2种是伴随放音产生3HZ频闪,第3种是语音播放结束瞬间闪亮一下,这3种发光方式在掩膜前选择确定。第②脚AUD输出音频信号,通过NPN型硅三极管放大,直接推动8Ω扬声器工作。第⑦~⑩脚KEY1~KEY4分别接4只微动开关,控制触发4段不同的语音内容,语音IC触发电平分为高电平和低电平2种,HT81230为低电平触发方式。
  下面再介绍HT81230的几种应用电路,供初学者参考。
  1.并联应用电路 如图7所示,将两片或多片语音内容不相同的电路的输出端连接在一起,电路采用并联接法。这种并联应用电路,可以扩展语音段数。
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  2.串联应用电路 如图8所示,将两片或多片语音内容不同的电路输出端接在一起,发光二极管输出端FLAG与下一片电路的触发端KEY相连接(发光二极管输出方式应选择上述第3种),第1片电路的输出信号作为第2片电路的控制触发信号,两片电路采用前后级串联控制方式。这种应用电路不但可以扩展每段语音的时间长度,而且还能简化电路。例如:第1片电路贮存着4段不同的语句,并要求每个语句后面加播一段音乐,就可以采用这种串联控制电路。
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  3.上电自动播放电路 应用电路见图9,该电路所不同之处是在IC的触发端KEY与VSS间串接一个0.1μ F电容和1.2MΩ电阻,当电路接通电源时,由于电容的作用,IC被瞬间触发,语音播放完毕自动停止工作。
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  4.上电循环播放电路 电路见图10,这时的触发端KEY直接接VSS,当接通电源时,电路自动循环播放,直至切断电源。
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  5.可调整音量应用电路 图11的音频输出端AUD外接1KΩ微调电阻和10μ F电容,这样可以改变三极管的输入电压,从而实现调节音量的目的。
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  6.差动放大电路 见图12所示,由8050型NPN硅三极管和8550型PNP硅三极管以及IN4148型整流二极管等构成晶体管差动放大电路,使电路输出的声音特别响亮。
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  7.外接功率放大电路 如图13所示,通过10KΩ电位器的滑动接点,可外接LM386、TDA2003等功率放大集成电路,以获得更大的输出功率。
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  此外,还有光控、声控等多种应用电路,由于篇幅所限,就不一一赘述。 如果觉得 语音集成电路入门速成三部曲这篇文章不错,可以推荐给朋友分享哦。

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