采用adalp2000套件制作的音频信号采集前端电路

内容介绍

一.项目介绍：

FgF-RJxDMVfAev5lTAXYngqUg-BM

这是一块音频前置放大电路，采用了麦克风作为信号输入，用一片低噪声四运放对音频信号进行放大滤波，音频信号的输出默认为功放电路，在接入音频头的时候自动切换到3.5mm音频座输出。左上角51单片机的作用是驱动AD7920将放大后的音频信号转为数字信号，并发送到串口工具Vofa+显示。受单片机和串口工具的限制连续采集模式最高采样率只能达到15KHz，缓存模式采样率可以达到96KHz，但会丢失一部分波形。

二.设计思路：

从ADALP2000套件中选取麦克风作为信号输入源，电路图如下：

Fj5UHPTD7P0BYmlyQBj_jPCikFQn

图1：麦克风驱动电路

其功能是拾取声音转换为电信号并进行音频放大。麦克风内部包含有一个场效应管作放大用，可以将震动引起的微弱电流放大，灵敏度较高。图1中以V1代替，V2为5V供电电源与电阻R1,R2,R4,R5共同给麦克风提供合适的偏置电压。C1,C22,C23可以滤除电路中的共模差模干扰，信号从C2,C3隔直后给到后续电路。

Fv6NhymeTwHt2iyQhrsrPbCl7lvX

图2：一级放大

麦克风产生的正负差分信号给到第一级放大电路；放大倍数由R18/R3决定。R18可以改成50K电位器，调节电位器可以调节放大倍数。R19,R20可以为电路提供2.5V的电压偏置，以达到最大测量动态范围，这两个电阻不宜过大，不然会产生噪声，为了降低电阻产生的噪声加入C13滤波。下半部分电路与以上同理。

FiVLAKXzyYLdjg1dF-7EISg7HqN_

图3：第二级是差分放大电路

第二级放大电路的作用是将前面的差分信号重新合并为单端信号，放大倍数由R11,R24,R9,R25决定。采用以上一二级电路结构的目的是为了降低信号噪声，按实际搭建电路测试情况看这种接法确实比单端放大噪声小很多。

FsfGcjWbIkXvkP9rqYkUNujJGeRq

图4：滤波电路

放大后的信号经过C5,R13,R14,C7滤波，滤波频率按照高通100Hz，低通16KHz设计。这里的U2为跟随器不做放大，R15,R16提供2.5V偏置电压。

FkaY4I3Wrjw5TyE3PCtHKDycMFBQ

图5：输出电路

经过放大的信号经过R33,C21滤波后给到AD7920输入端，此处RC滤波器做抗混叠滤波器用，频率设计16KHz，AD7920的采样率为96K，应付16KHz以内的信号足够了，也不会产生混叠。信号切换电路：采用了一个P型，一个N型MOS设计为互斥输出。由于官方提供的MOS管ZVP2210 ,ZVN3310的导通电压较高，增加C14，R10，R12偏置电路，给Pmos提供一个合适的电压范围。电路中R30，R26可以换成电位器，用来调节输出信号幅值。开关信号由V4代替，实际电路中开关信号脚接到3.5mm音频接口的4号引脚，该引脚在接入音频头的时候会被拉到地。

FmrV5B46AG4WOvZoP7yfc_aVJepg

图6：输出电路

功放电路如图6，增益由R2,R1决定，W1可以调节声音大小。

三.仿真：

FtwI1ZuY8p687OsdiE27MdwWPmRe

图7：仿真结果

如图7，电路增益51dB,在100Hz和16KHz的衰减为3dB满足要求带通滤波要求。切换电路也可以正常工作。

四.波形显示：

波形显示部分采用EFM8单片机驱动AD7920采集放大后的音频信号，再通过串口发送到PC端VOFA+显示方案。为达到更高的采样率，做了两处优化：1.将SPI和UART通讯时序进行穿插，在UART发送间隙启动SPI时序；2. int型数据改为数组形式，节约数据处理时间。关键代码如下：

        {

       ad7920_cs = 0;                             //
       SPI0DAT = 0x00;                            ////
       putchar(arr[1]);
       while (!SPI0CN0_SPIF);                     //
       SPI0CN0_SPIF = 0;                          //
       temp = 0;                                  //
       temp = SPI0DAT;                            //
       main_count[(eo+1)%2] += temp * 256;        //
       putchar(arr[2]);
       SPI0DAT = 0x00;                            ////
       putchar(arr[3]);
       while (!SPI0CN0_SPIF);                     //
       SPI0CN0_SPIF = 0;                          //
       ad7920_cs = 1;                             //
       putchar(0x0A);
       delay_us(1);
       temp = 0;                                  //
       temp = SPI0DAT;                            //
       main_count[(eo+1)%2] += temp;              //
       main_count[(eo+1)%2] -= 1500;              //
              //arr[0]=main_count[eo%2]/1000+0x30;
              main_count[eo%2] = main_count[eo%2]%1000;
              //putchar(arr[0]);
              arr[1]=main_count[eo%2]/100+0x30;
              main_count[eo%2] = main_count[eo%2]%100;
              arr[2]=main_count[eo%2]/10+0x30;
              main_count[eo%2] = main_count[eo%2]%10;
              arr[3] = main_count[eo%2]%10+0x30;
        eo++;
        }

五.遇到的问题：

遇到的问题有两方面：噪声，采样率；

噪声问题：一开始采用单端放大方案，面包板搭建电路。但是在接上喇叭后发现有较大噪声，拔掉麦克风后噪声略有减小，说明电源与放大电路都存在噪声；

然后转为洞洞板焊接，电源噪声得到改善。但是接上麦克风噪声依旧，更换电路运放发现精密运放效果优于通用型运放，噪声进一步改善。为了追求更高的信噪比，将信号源改为差分接法，排除零点漂移影响。

采样率问题：

51单片机性能限制，SPI跑满4M，UART最高2M，且只能单线程工作。多次调整通讯时序，数据处理方式，实时采样频率也只能做到15KHz；这意味着3KHz-16KHz的信号会出现失真和混叠的问题；

FtjBu56xraYSOmLAXzSLLHUCmbY0

图8：混叠

连续采样模式采样频率为15KHz，由定理可知被测频率超过7.5KHz的时候出现混叠失真。如图8：音频信号12KHz的波形和3.3KHz的波形，频率基本一致符出现混叠失真。但该频率仍为有效信号，采用滤波电路只会将有效信号一并过滤，所以不可取。唯一的解决办法是提高采样频率。

为解决该问题，引入缓存模式，即采集一段时间数据（51单片机内存有限，此处只能存储40个数据），然后一次输出。连续模式用于100Hz-3KHz的信号，缓存模式用于3KHz--16KHz的信号。 Fnf8DfeYHYYuU3oUOPi4xOV6lkWZ

图9：提高采样率

如图9；采样率提高到96KHz后可以将3.3KHz和12KHz的信号明显区分开，但由于单片机缓存、上位机打印速率限制波形会有丢失问题，看起来比较奇怪。

缓存模式代码如下：

else if(count_flag==1)
    {

          if(count<=arr_count)
          {
           ad7920_cs = 0;
           main_count[count] = 0;

           SPI0DAT = 0x00;
           temp = 0;
           while (!SPI0CN0_SPIF)
             ;
           SPI0CN0_SPIF = 0;
           temp = SPI0DAT;
           main_count[count] += temp * 256;
           SPI0DAT = 0x00;
           temp = 0;
           while (!SPI0CN0_SPIF)
             ;
           SPI0CN0_SPIF = 0;
           temp = SPI0DAT;
           main_count[count] += temp;
           ad7920_cs = 1;
           count++;
           ad7920_cs = 1;ad7920_cs = 1;ad7920_cs = 1;ad7920_cs = 1;ad7920_cs = 1;
            }
          else
            {
              count_flag=2;
              count=0;
            }
    }
      else if(count_flag==2)
         {
           if(count<arr_count)
             {
               printf ("%d\n", main_count[count]-1500);
               count++;
             }
           else{count=0;count_flag=1;}
         }

六.优化方向：

1.在测试过程中发现不同的喇叭频率特性不同，ADALP2000配件中的喇叭在高频和人声部分表现都不错。但在高频时候容易出现破音，所以还需要根据喇叭特性对前面电路参数进行微调。

2.采样率：现有系统的瓶颈在串口上位机软件，最高只能跑到2MHz,且在发完一次数据后需要延时几十uS，如果去掉延时，误码率会上升很多。后续可增加一块显示屏来显示波形。

3.输入信号范围为0.1mV-1V，现有电路可以通过调节反馈电阻的大小改变放大倍数，使得信号不会出现饱和失真。后续可以增加MOS开关，单片机通过读取AD值来判断放大倍数，做到自动切换量程。