麥克放大器自動(dòng)增益控制電路的設(shè)計(jì)

郎文飛，李 娜

(焦作大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 焦作 454000)

1 引言

人類能夠聽(tīng)到的音頻范圍是20 Hz～20 kHz，但講話的音頻范圍是0.3～3 kHz，在AI領(lǐng)域智能語(yǔ)音控制對(duì)音頻的研究范圍就是0.3～3 kHz[1～3]。因此麥克放大器自動(dòng)增益控制電路設(shè)計(jì)的頻率范圍也就是0.3～3 kHz。

麥克在獲取語(yǔ)音信號(hào)之后，就將一個(gè)模擬的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)變化規(guī)律相同的電信號(hào)，完成第一步數(shù)據(jù)采集的的任務(wù)。但是，采集過(guò)來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)電平有時(shí)會(huì)很大，有時(shí)會(huì)很小或者有突變；電平太大，信號(hào)會(huì)阻塞、失真，諧波和噪聲會(huì)加大，影響通話。需要將信號(hào)的放大倍數(shù)減小，以獲取一個(gè)電平正常的值，保證正常通話。電平太小，會(huì)聽(tīng)不清或聽(tīng)不到通話，就需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤糯?，以獲取一個(gè)正常的電平值，保證正常通話。要解決上述兩個(gè)問(wèn)題，就必須對(duì)咪頭采集的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益補(bǔ)償：將小信號(hào)進(jìn)行較大的放大，將大信號(hào)進(jìn)行較小的放大，對(duì)其電平值進(jìn)行限制。下面就是采用NI公司生產(chǎn)的NIM2904V設(shè)計(jì)的一款麥克信號(hào)放大和自動(dòng)增益控制電路[4～8]。

2 MIC AMP&AGC電路的原理框圖

MIC AMP&AGC電路的原理框圖如圖1所示。

圖1 MIC AMP&AGC電路的原理框圖

3 MIC AMP&AGC電路的原理圖

MIC AMP&AGC電路的原理圖如圖2所示。

圖2 MIC AMP&AGC電路的原理

本設(shè)計(jì)采用的芯片NIM2904V主要由兩個(gè)高精度的放大器組成。輸入信號(hào)從in端口經(jīng)6引腳輸入放大器，若信號(hào)過(guò)小，則信號(hào)放大后直接由7引腳輸出供后級(jí)處理電路使用，二級(jí)放大電路不工作。若輸入信號(hào)過(guò)大，二級(jí)放大電路工作，同時(shí)將信號(hào)由輸出引腳1經(jīng)D1，整流成直流電平加在Q1的基極，以控制Q1的飽和程度來(lái)達(dá)到對(duì)輸入信號(hào)的衰減作用，從而達(dá)到無(wú)論輸入信號(hào)過(guò)大或過(guò)小，輸出電平都會(huì)維持在一個(gè)合理的范圍。

4 MIC AMP&AGC電路PCB板圖

MIC AMP&AGC電路PCB板圖如圖3所示。

圖3 MIC AMP&AGC電路的PCB板圖

5 電路實(shí)測(cè)

電路測(cè)試時(shí)采用音頻頻率為1 kHz，功率范圍1～30 mV的音源加在輸入端口。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同條件下咪頭輸出穩(wěn)定性

測(cè)試的輸入輸出信號(hào)曲線如圖4所示。

由圖4可以看出當(dāng)輸入在1～3 mV時(shí)放大增益很大，當(dāng)輸入信號(hào)增強(qiáng)時(shí)(11～30 mV)放大增益相應(yīng)衰減，可以將輸出信號(hào)穩(wěn)定在一個(gè)合理的區(qū)間。很好地符合了設(shè)計(jì)的初衷。

圖4 輸入信號(hào)和輸出信號(hào)曲線

6 實(shí)物測(cè)試

本電路分別在手機(jī)和智能音箱上做實(shí)驗(yàn)，效果改善非常明顯。

(1)在手機(jī)上實(shí)驗(yàn)：人的嘴巴距離咪頭5～30 cm的范圍內(nèi)，發(fā)送的話音電平變化不大。通話聲音清晰、音量感覺(jué)舒適，嘴巴不必靠近咪頭就可以講話并正常發(fā)送語(yǔ)音信息進(jìn)行通話。

(2) 在智能音箱上實(shí)驗(yàn)：在以5 W的功率播放音樂(lè)的情況下進(jìn)行智能語(yǔ)音識(shí)別實(shí)驗(yàn)，測(cè)試人員用正常的語(yǔ)音、語(yǔ)速做語(yǔ)音識(shí)別的喚醒、關(guān)鍵詞以及播放指令實(shí)驗(yàn)，效果良好；在距離智能音箱5 m時(shí)仍能進(jìn)行智能語(yǔ)音操作，比不加MIC AMP&AGC電路可增加1.5～2 m，效果明顯。

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益控制電路，相較于軟件實(shí)現(xiàn)的AGC，不需要復(fù)雜的算法，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠、效果顯著。為各類智能語(yǔ)音控制技術(shù)提供了一個(gè)很好地前端解決方案。