医用电子电路设计及应用

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医用电子电路设计及应用范文第1篇

【关键词】单片机；信号发生器；语音信息；语音信号

引言

由于数字化信息处理和集成电路的不断进步，各种语音合成芯片应用也不断扩大。其中有大部分都是采用PC机或微控制器的方法，这种方法的控制手段不但需要硬件的支持，同时也需要对软件系统和各种指令进行严肃处理。伴随着目前社会技术的不断发展，语音信息采集与处理措施要求不断增加，在处理之中，是通过将模拟语音信号通过相应软件和系统转变形成数字信号，再由单片机控制储存在存储器中，形成一套系统的工作流程。

一、信号发生器概述

1.1　信号发生器的发展

信号发生器广泛应用于各科学实验领域。它是一种常用的信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。

1.2单片机原理

单片机是一种集成在电路芯片，具有数据处理能力的中央处理器CPU　随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O　口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机具有集成度高、系统结构简单、使用方便、实现模块化等特点，应用于仪器仪表、家用电器、医用设备等领域。

二、硬件电路设计与分析

2.1　工作原理

当按键按下时，通过程序判断哪个键按下，选好按键后，利用D/A转换器将数字信号转换成模拟信号，再经过滤波放大，由示波器显示出所需的波形，此时LED显示器也会显示其各自的类型以及频率。复位电路则是用于单片机的复位，使单片机接口初始化。

2.2　实现功能

（1）所使用的8位LED显示器，采用共阴极接法，输入段选码低电平有效，显示输出信号的类型和频率。

（2）通过P1.0和P1.1口控制信号的输入类型。当P1.0=0，P1.1=0输出正弦波；当P1.0=0，P1.1=1　输出三角波；当P1.0=1，P1.1=0输出锯齿波。

（3）输出信号幅度：0～5V。

（4）信号频率范围要求：1—1KHZ。

2.3.硬件电路设计与分析

好的硬件电路既能简化繁琐的程序，又能提高实验的成功率，是设计实验不可或缺的重要部分，必须高度重视。

2.3.1主控电路

本电路主要采用AT89C52型单片机，它具有如下特点：（1）有可供用户使用的大量I/O口线。（2）内部存储器容量有限。（3）应用系统开发具有特殊性。用89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。其中，在设计时钟电路时，采用12MHZ和晶振分别接引脚XTAL1　和XTAL2，电容C1，C2　均选择为30pF。由于频率较大时，三角波、正弦波、方波等波中每一点延时时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间即可得到指定频率的波形。在设计复位电路时，复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，作用是用来抑制噪声。在每个机器周期的S5P2，其输出电平由复位电路采用一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

2.3.2键盘接口电路

本设计采用一般的键盘接口，键盘输出信号。具体为：P1.0、P1.1波形选择，其中当P1.0=0，P1.1=0　输出正弦波，当P1.0=0，P1.1=1　输出三角波，当P1.0=1，P1.1=0输出锯齿波；当P1.0=1，P1.1=1　输出方波。P1.2、P1.3、P1.4　频率由个位，十位，百位调节；P1.5频率加减控制；P1.6跳出循环。

2.3.3　DAC0832芯片与单片机硬件接口设计

由于用示波器显示波形，所以需要一个数/模转换器，将单片机输出的数字量转换成模拟量。此设计采用DAC0832转换器。由于此芯片是电流输出，为了变成电压输出，我们在其后加上一个运算放大器OP07。

2.3.4　LED显示电路

设计采用LED共阴极数码管显示电路。当某个驱动电路输出端为低电平时，相应的那位点亮，从而显示出波形的种类和信号的频率，在按键时显示出相关信息。添加74LHC573锁存器是为了增加显示的准确性。

三、语音信息系统主要芯片介绍

单片机作为一种集成电路芯片，是通过采用各种超大规模的集成电路技术将具有各种数据处理和函数计算能力的中央处理器、随机处理器以及定时器等终端系统和功能集成到一个完整的硅片之中形成一个完善而又系统化的微型计算机系统措施，这种电路芯片在目前被广泛的应用在各种工业生产和控制领域之中。伴随着社会的进步，单片机呈现出其顽强的生命力，以高速发展的优势迅速的应用在各个信息处理之中。

3.1　ISD4OO4芯片介绍

ISD4OO4语音芯片采用C14OS技术，通过在内部装置韩警惕的振荡器和防混叠过滤器等方式来扩大存储器容量，增加计算效率和准确度，因此只需要很少的器件就可以在其中构成一套完整的声音录入系统和回放体系，这在系统设计中不但能够节约设计消耗时间，同时能够避免设计中其他元件的增多。

在目前ISD公司的单片机构成中主要是通过信号输入系统、信号输出部分、存储系统、采样时钟部分和SPI部分六部分构成。其在构成中信号输入部分—音频信号放大器和五极点抗混叠滤波器：而信号输出部分在控制的过程中是通过平滑过滤器和自动静噪处理器来实现的。存储部—非易失性多电平模拟存储阵列；采样时钟部分一内部时钟振荡器和调节器：SPI—录、放、快进等操作的SPI接口；电源接口部分。

3.2　AT89C52芯片介绍

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS　8位单片机，片内含8k　bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256　bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。芯片内含有8KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与8OC31引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。

四、语音信息系统设计方案

ISD器件在录音存储操作之前，要对信号作调整。首先将输入信号放大到存储电路动态范围要求的最佳电平，这主要由内部放大器来完成。放大后的信号进入五级抗混叠滤波器进行调整。模拟信号的存储采用采样技术，利用抗混叠滤波器可以去掉采样频率I/2以上的输入频率分量，使所有采样数据都满足奈奎斯特定理，滤波器是一个连接时间五极点的低通滤波器。录音时，输入信号通过模拟收发器写入模拟多电平存储阵列中。将采样信号经过电平移位生成非易失性写入过程所需要的电压。采样时钟同时用于存储阵列的地址译码，以便将采样信号顺序地写入存储阵列中。放音时，录入的模拟电压在同一采样时钟的控制下顺序地从存储阵列中读出，重构原来的采样波形，输出通路上的平滑滤波器去掉采样频率分量，并恢复原始波形，ISD器件的采样频率通过内部温度补偿的基准振荡器来控制，这个振荡器不需要外接元件，采样频率取自内部振荡电路之后的一组分频器。平滑滤波后的信号经过自动静噪处理传送入放大器作为输出音频功放的输入信号，推动扬声器。

4.1语音输出电路

LW386是一种集成音频功放，同时其中具有着自身功能消耗低，电压的增长稳定，对电源电压的控制范围较为合理，单片机在应用的时候失真效率和要求较低。尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生噪声。

4.2录音电路

ISD器件采用录音时间为8分钟的ISD4OO4-8器件，以单片机AT89C52为微控制器，外接语音段录放控制键盘和LED显示器，外部存储器24CO2用于保存各语音段首地址及总语音段数，为了改善语音量，要提高输入端信噪比，因此在ISD语音输入端采用放大电路单端输入。

4.3放音电路

此系统分为三部分：单片机的控制部分、放音部分和显示部分。本文的控制部分主要由单片机89C52构成，包含必要的按键电路、复位电路和看门狗电路等电路，放音部分主要由ISD4OO4构成。

4.4程序工作顺序

程序工作思想电路上电后，程序首先完成程序的初始化，随后查询按键状态，进入系统待机状态。如果有按键按下，则转去执行按键指向的工作程序。按键包括放音键，程序将首先判断是去还是回，并点亮相应的指示灯。自动读出第一段的放音内容。如果不是首次按下，程序则首先判断当前位置，并以该位置为依据获得存放该站放音内容的首地址。调用放音子程序，读入前面获得的本次放音内容首地址，开始放音。

五、结束语

本文信号发生器只是一种可能实现的方法。此法的频率控制和幅度控制分辨率高，且硬件集成度高，整机自动化程度高，性能优良，具有很高的实用价值。

在传统的语音录放过程中，语音信号要经过设备豹接受后再转化为模拟电信号，遥过前置放大器把语音信号放大，通过带通滤波之后。去掉多余的干扰，再经过A/D转换为数字信号，控制器对其进行处理和存储。之后再由D/A转换为模拟信号，达到放音的目的。使用这种方法既复杂又容易使声音失真。所以，本文介绍了一种单片语音处理芯片ISD4OO4。通过对ISD4OO4语音芯片的简单介绍，熟悉了ISD4OO4的基本应用。通过对基于单片机控制系统的设计实现了语音的录入和播放。并阐述了系统工作各部件的性能特性，基于微处理系统的设计实现了录音和放音。此系统设计灵活，成本低，语音器件抗干扰性强，应用效果良好。

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