基于FPGA的语音存储与回放系统设计

1 设计要求
   　　设计并制作一个数字化语音存储与回放系统，其示意图如图1所示。
   

图1 数字化语音存储与回放系统示意图
   　　(1)放大器1的增益为46dB，放大器2的增益为40dB，增益均可调；
   　　(2)带通滤波器：通带为300Hz～3．4kHz；
   　　(3)ADC：采样频率fs=8kHz，字长=8位；
   　　(4)语音存储时间≥10s；
   　　(5)DAC：变换频率fc=8kHz，字长=8位；
   　　(6)回放语音质量良好。
   　　不能使用单片语音专用芯片实现本系统。
   　　2 数字化语音存储与回放系统硬件电路
   　　2．1 放大器1即音频信号放大电路
   　　音频信号放大电路如图2所示。第一级放大(-4．7)倍。IRD120实现自动增益控制，当开关打到1的位置是增益自动控制，当开关打到2的位置是手动控制。增益自动、手动控制是利用场效应管工作在可变电阻区，漏源电阻受栅源电压控制的特性。第二级放大(+101)倍。第三级放大倍数可调，最大(-20)倍，保证ADC0809满量程转换。
   

图2 音频信号放大电路
   　　2．2 带通滤波器
   　　带通滤波器如图3所示。实测带通300～3300Hz。保证语音信号不失真地通过滤波器，滤除带外的低频信号和高次谐波。
   

图3 带通滤波器
   　　2．3 模数转换(ADC)电路
   　　ADC电路如图4所示。题目要求采样频率fs=8kHz，字长=8位，可选择转换时间不超过125 μs的8位A／D转换芯片，ADC0809的转换时间为100μs，可选用ADC0809。音频信号经过放大、滤波送给ADC0809 ADC电路，将模拟量转换为数字量，再经可编程器件送给存储芯片。cp、oe、eoc、start、ale、din[7．．0]接图9。
   
  
   
图4 　ADC电路
   　　2．4 语音存储电路
   　　存储芯片HM628128D管脚如图5所示。HM628128D可存储8位131072字，5V供电，静态RAM。语音存储时间≥10s。HM628128D在数字化语音存储与回放系统硬件电路中的接线如表1所示。HM628128D读写功能如表2所示。
   
  
   图5  HM628128D管脚
   

  
   　　2．5 数模转换(DAC)电路
   　　DAC如图6所示。题目要求变换频率fc=8kHz，字长=8位，可选择转换时间不超过125μs的8位D／A转换芯片，DAC0800的转换时间为100ns，可选用DAC0800。存储芯片输出的数字量经可编程器件图9送给DAC0800 DAC电路，将数字量转换为模拟量。
   

图6 DAC0800 DAC电路
   　　2．6 带通滤波器和功率放大器
   　　带通滤波器2如图7所示。放大器2和功率放大器如图8所示。图6、图7、图8连接起来就可以获得音频信号。
   
  
   图7 带通滤波器2
   

图8 放大器2和功率放大器
   　　3 数字化语音存储与回放系统软件电路
   　　3．1 FPGA外部接线
   　　FPGA外部接线如图9所示。clk24m接24MHz晶振，cp接图4 ADC0809 ADC电路，yy[7．．0]接图1．5 HM628128D，res接按键开关res为0时地址复位为0，wo接高低电平开关wo为0录音wo为1放音，stat接高低电平开关，开始录音或放音。dout[7..O]接图6，wr、read、adr[16..O]接图5HM628128D，bz接发光指示灯显示录音或放音工作状态，其余端接图4 ADC0809 ADC电路。
   

图9 FPGA外部接线
   　　4 结论
   　　此课题的创新点在于用FPGA控制数字化语音存储与回放，取代了以往用单片机去控制；同时此课题综合了数电、模电、DAC、CAD、FPGA等多方面电子知识，对学生做课程设计、电子实验有着很大的实用性。同时此课题可作为产品开发，成本低、可靠性高,将会有一定的市场。