Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва

Одиннадцатая научная конференция
«Шаг в будущее, Москва»
Цифровой диктофон
•Автор:
Киореску Сергей Дмитриевич
Гимназия № 5 г. Домодедово Московской области, 11 класс
• Научный руководитель :
Власов Андрей Юрьевич
Доцент, к.т.н.
Кафедра Иу4 МГТУ им. Н.Э. Баумана
Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
Целью работы - является модификация, сборка и тестирование устройства для
записи человеческого голоса в течении 16 секунд и последующего воспроизведения
записанной информации.
Суть работы - создание цифрового диктофона небольшого размера (50х70 мм), с
высокими эксплуатационными характеристиками, надежностью, простым в
изготовлении и настройке, с низкой стоимостью (менее 500 руб.), с использованием в
качестве носителей информации цифрового модуля памяти и вычислительного ядра
диктофона на базе микросхемы ISD1416.
Актуальность работы - устройство найдет применение для оперативной записи и
воспроизведения звука/речи длительностью 16 сек).
В работе решаются следующие задачи:
•
Анализ функциональной схемы цифрового диктофона
•
Выбор элементной базы - DA1 ISD1416 (Integrated Storage Device);
•
Анализ принципиальной схемы цифрового диктофона;
•
Разработка схемы сборки цифрового диктофона;
•
Исследование эксплуатационных характеристик диктофона;
Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
Вход
Тактовый
генератор
Усилитель
мощности
ЦАП
Память
АЦП
фильтр
предусилитель
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЦИФРОВОГО ДИКТОФОНА
Выход
Параметры:
Частота дискретизации: 8 кГц.
Напряжение питания: 9 - 12 В.
Полоса пропускания: 3,3 кГц.
Ток потребления,
Емкость энергонезависимой памяти: 128 кБ.
- режим хранения, менее: 10 мА,
Время хранения данных: 100 лет.
- режим запись/воспр., менее: 100 мА.
Количество циклов записи: 100000.
Общее время записи/воспроизведения: 16 с. Размеры печатной платы: 66х46 мм.
Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
DA1 ISD1416 (Integrated Storage Device
(подразделение Winbond)),
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
усилитель
низкой
частоты
микрофонный
предваритель
ный усилитель
встроенный
генератор тактовой
частоты
энергонезависимая
память емкостью
128 кБ
устройства
выборки-хранения
система
автоматической
регулировки
уровня (АРУ)
Antialiasing-фильтр
(фильтр линейной
интерполяции
формы сигнала при
преобразовании “
цифра-аналог” )
сглаживающий
фильтр
Цифровой диктофон выполнен на базе специализированной интегральной микросхеме DA1 ISD1416 (Integrated Storage
Device (подразделение Winbond)), которая обеспечивает высококачественную репродукцию голосовых аудио-сигналов. ИМС
содержит встроенный генератор тактовой частоты, устройство выборки-хранения, энергонезависимую память емкостью 128
кБ, каждая ячейка которой способна запоминать 256 уровней, микрофонный предварительный усилитель, система АРУ,
Antialiasing-фильтр (фильтр линейной интерполяции формы сигнала при преобразовании “ цифра-аналог” ), сглаживающий
фильтр, усилитель низкой частоты.
Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ
Устройство состоит из следующих элементов: контроллер на базе микропроцессора, выполняющий функции
управления устройством. В состав микроконтроллера также входят АЦП и ЦАП, поэтому микроконтроллер
также выполняет функции оцифровывания аналогового сигнала и преобразования цифровых кодов в
аналоговый сигнал. Усилители U1 и U2 предназначены для усиления аналоговых сигналов и ограничения
верхних граничных частот этих сигналов до 4 кГц. Микрофон и динамик предназначены соответственно для
ввода и воспроизведения голосовой информации. Генератор опорного напряжения U3 формирует опорное
напряжение для встроенного АЦП микроконтроллера MC. Тактовый генератор G предназначен для
тактирования всех внутренних схем микроконтроллера. Энергонезависимая память RAM предназначена для
хранения всей записываемой голосовой информации. Блок клавиатуры KBD предназначен для управления
режимами устройства. Блок индикации LED предназначен для индикации режимов работы устройства.
Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА
Вид печатной платы со стороны
компонентов
Вид печатной платы снизу
Конструктивно цифровой диктофон выполнен на печатной плате из фольгированного
стеклотекстолита с размерами 71х51 мм. Конструкция предусматривает установку платы в
корпус, для этого по краям платы имеется 4 монтажные отверстия диаметром 3 мм. Для
удобства подключения выносной кнопки на плате зарезервированы посадочные места под
клемные винтовые зажимы
Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
МОНТАЖНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА
Устройство в сборе
В соответствии со схемой электрической принципиальной была разработана монтажная схема
элементов, представленная на рисунке и выполнена сборка устройства (устройство в сборе
показано на фотографии)
Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ
РЕЖИМ «ЗАПИСЬ»
Нажатие на кнопку «Запись»
Активизация ИМС DA1
Отжатие кнопки «Запись»
Формирование
поляризующего
напряжения
Таймер на 16 сек
Перевод ИМС в ждущий режим
Кнопка
ЗАПИСЬ
Электретный
микрофон
Светодиод HL2
Память
Индикация режима записи
При нажатии на кнопку ТА1 «Запись» микросхема DA1 активизируется, на электретный микрофон
подается поляризующее напряжение и загорается светодиод HL2, сигнализируя о том, что режим
записи включен. Запись происходит в течение всего времени, пока кнопка нажата. По истечении
указанного выше предельного времени (16 секунд) микросхема автоматически переходит в
дежурный режим.
Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ
РЕЖИМ «ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ»
Нажатие на кнопку
«Воспроизведение»
Активизация ИМС DA1
Кнопка
Воспр.
Память
Динамик
Для прослушивания всей фонограммы достаточно кратковременно нажать
на кнопку ТА2 «Воспроизведение полной записи». По окончании воспроизведения
микросхема снова переходит в дежурный режим
Чтобы прослушать фрагмент записи (от начала), необходимо нажать и удерживать
кнопку ТА3 «Воспроизведение фрагмента записи».
Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИКТОФОНА
Инструментальное тестирование
проводилось с помощью программы
RightMark Audio Analyzer 6.0.6.
Параметры воспроизведения:
• Неравномерность АЧХ (от 40 Гц до 15
кГц),3 дБ: +0.08, -0.10
• Уровень шума, дБ (А): -75.4
Частотный диапазон (АЧХ)
• Динамический диапазон, дБ (А): 74.0
• Гармонические искажения, %: 0.0082
• Интермодуляционные искажения +
шум, %: 0.068
• Взаимопроникновение каналов, дБ: 76.2
• Интермодуляции на 10 кГц, %: 0.050
Уровень шума
Одиннадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
• Проанализированы варианты функционального построения цифровых
диктофонов, даны рекомендации по выбору элементной базы и
модернизации схемы цифрового диктофона для записи голосовой
информации длительностью 16 с.
• Проанализирована конструктивная реализация цифрового диктофона
• Осуществлена сборка устройства, наладка и тестирование
• Разработаны методики функционального тестирования цифрового
диктофона в режимах «ЗАПИСЬ» и «ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ»
• Проведена оценка функциональных параметров собранного диктофона
• Даны рекомендации по дальнейшем модернизации схемы устройства в
части увеличения продолжительности записи