麥克放大器自動增益控制電路的設計

郎文飛，李 娜

(焦作大學 機電工程學院, 河南 焦作 454000)

1 引言

人類能夠聽到的音頻范圍是20 Hz～20 kHz，但講話的音頻范圍是0.3～3 kHz，在AI領域智能語音控制對音頻的研究范圍就是0.3～3 kHz[1～3]。因此麥克放大器自動增益控制電路設計的頻率范圍也就是0.3～3 kHz。

麥克在獲取語音信號之后，就將一個模擬的聲音信號轉換成一個變化規律相同的電信號，完成第一步數據采集的的任務。但是，采集過來的語音信號電平有時會很大，有時會很小或者有突變；電平太大，信號會阻塞、失真，諧波和噪聲會加大，影響通話。需要將信號的放大倍數減小，以獲取一個電平正常的值，保證正常通話。電平太小，會聽不清或聽不到通話，就需要進行適當地放大，以獲取一個正常的電平值，保證正常通話。要解決上述兩個問題，就必須對咪頭采集的信號進行自動增益補償：將小信號進行較大的放大，將大信號進行較小的放大，對其電平值進行限制。下面就是采用NI公司生產的NIM2904V設計的一款麥克信號放大和自動增益控制電路[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

本設計采用的芯片NIM2904V主要由兩個高精度的放大器組成。輸入信號從in端口經6引腳輸入放大器，若信號過小，則信號放大后直接由7引腳輸出供后級處理電路使用，二級放大電路不工作。若輸入信號過大，二級放大電路工作，同時將信號由輸出引腳1經D1，整流成直流電平加在Q1的基極，以控制Q1的飽和程度來達到對輸入信號的衰減作用，從而達到無論輸入信號過大或過小，輸出電平都會維持在一個合理的范圍。

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 電路實測

電路測試時采用音頻頻率為1 kHz，功率范圍1～30 mV的音源加在輸入端口。實驗測試數據如表1所示。

表1 不同條件下咪頭輸出穩定性

測試的輸入輸出信號曲線如圖4所示。

由圖4可以看出當輸入在1～3 mV時放大增益很大，當輸入信號增強時(11～30 mV)放大增益相應衰減，可以將輸出信號穩定在一個合理的區間。很好地符合了設計的初衷。

圖4 輸入信號和輸出信號曲線

6 實物測試

本電路分別在手機和智能音箱上做實驗，效果改善非常明顯。

(1)在手機上實驗：人的嘴巴距離咪頭5～30 cm的范圍內，發送的話音電平變化不大。通話聲音清晰、音量感覺舒適，嘴巴不必靠近咪頭就可以講話并正常發送語音信息進行通話。

(2) 在智能音箱上實驗：在以5 W的功率播放音樂的情況下進行智能語音識別實驗，測試人員用正常的語音、語速做語音識別的喚醒、關鍵詞以及播放指令實驗，效果良好；在距離智能音箱5 m時仍能進行智能語音操作，比不加MIC AMP&AGC電路可增加1.5～2 m，效果明顯。

7 結論

本文設計的自動增益控制電路，相較于軟件實現的AGC，不需要復雜的算法，而且設計簡單、可靠、效果顯著。為各類智能語音控制技術提供了一個很好地前端解決方案。