带隔离电路麦克风信号采集电路方案

来源：职称阁分类：电子论文时间：2021-02-23 09:45热度：

　　根据新的KTV使用场景对采集麦克风信号的需求，本文新开发了一种采集麦克风信号的隔离电路方案。该方案在不影响麦克风原本信号的前提下采集了一路信号给KTV点播系统使用，解决了在其它方案中出现的音频底噪偏大问题，提高了音准评分、声控游戏和语音控制功能的准确度。

带隔离电路麦克风信号采集电路方案

　　关键词:麦克风信号采集；隔离电路；底噪

　　1引言

　　传统的KTV使用场景比较单一，用户来这里的主要目的就是唱歌，系统对用户的语音信号没有进行过多处理，大部分只是简单地进行润色处理就输出到功放系统出声。现在的KTV使用场景更加注重和用户的语音互动体验，以前的麦克风主要是用来唱歌的，现在还可以用来做音准评分，具有针对KTV开发的声控类游戏和语音进行控制等功能。KTV点播系统通过采集用户的麦克风信号，然后经过放大、滤波处理后再进入KTV点播系统。前期的一套KTV点播设备在实际使用中，因麦克风信号采集电路没有带隔离电路导致部分场所（配备不同品牌/型号的效果器）发现只要连接了麦克风信号，采集电路就会在音箱上听到很明显的噪声，同时系统的音准评分、声控游戏和语音功能会存在大概率误触发的情况，严重影响用户体验感。基于此，本文重新设计了一种带隔离电路的音频采集电路方案来彻底解决该问题，提高产品的兼容性。

　　2方案分析

　　常规的一套KTV点播系统的音频信号流可参考图1，主要包括麦克风设备、KTV点播设备、效果器、功放和音箱。麦克风信号输入KTV点播设备后，分成两路：一路直接输出给效果器；另外一路经过内部的信号采集电路处理后进入USB声卡，USB声卡通过USB信号将信号最终输入CPU进行处理。同时，KTV点播设备本身会有一组模拟音频输出MV伴音信号给效果器。效果器同时采集了麦克风信号和MV伴音信号给内部DSP做进一步的音效处理，然后再合成一路音频输出信号给功放进行进一步的放大处理，驱动音箱出声。图1中，KTV点播设备的MICOUT和MUSICOUT会同时连接到效果器，二者使用不同的连接线材连接。由于线材本体会有一定的电阻值，接口连接处也会存在一定的接触电阻，则KTV点播设备的主板地信号和效果器的主板地信号会在这两个接口连接线之间形成一个环路（如图中A所示）。该环路会将KTV点播设备的主板数字地噪声叠加到麦克风信号上[1]。由于麦克风信号是小信号（尤其是有线麦克风），信噪比会受到很大影响，导致音箱会输出很明显的噪声，同时KTV点播设备采集到的麦克风信号底噪也会比较大[2]，影响了音准评分的精确度、声控游戏会有误触发等不良影响。若将上述连接中的麦克风信号直接连接到效果器，不经过KTV点播设备，则在音箱上就不会听到这个噪声，由此可以确认是KTV点播设备的信号采集电路影响到了麦克风信号。基于此，有必要增加一种隔离电路方案来采集麦克风信号[3]。经过大量的选型和评估，图2是最终采用的隔离电路方案。该方案采用的电路相对简单，成本可接受，指标能达到要求。图2中，在KTV点歌设备处增加了电源和信号的隔离电路，其中KTV点歌设备的正5V电源经过专用的隔离电源驱动芯片和变压器处理后，输出正负11V电源给信号采集电路供电。信号采集电路采集麦克风信号，经过放大和滤波处理后再经过信号隔离变压器输出给KTV点播设备的USB声卡。该USB声卡有内置ADC功能，可以直接采集经放大和滤波后的麦克风信号。经过电源隔离电路和信号隔离电路处理后，KTV点播设备的主板地信号和麦克风输入信号的地环路已经被切断，KTV点播设备的主板数字地噪声不会再影响麦克风信号。同时也实现了对麦克风信号的采集功能。

　　3具体电路设计

　　3.1电源隔离电路

　　在本方案中，虽然麦克风信号采集电路的功耗比较小，但是有运放放大、滤波电路，最好能提供正负电源给运放供电，可以进一步提高麦克风信号采集电路的信噪比和动态范围等指标；基于这个需求，选择了如图3所示的电源隔离电路。图3中的U7是一颗用于隔离电源电路的H桥驱动器，芯片内置了初级侧控制器。该驱动器可提供最高3W的驱动功率，驱动后端的线圈变压器T1（初次级的线圈匝数比可根据实际电压需求进行调整），然后经过后端二极管的倍压和滤波电路得到了两组电源VDD11V和VEE11V。这两组电源提供给后端信号采集电路的运放电路供电。KTV点播设备的正5V电源和麦克风信号采集电路的供电实现了物理隔离。图3中的C9主要是用于3C认证的骚扰功率或者辐射用途[4]，可根据不同的产品结构和实测值上件不同容值的电容[5]。

　　3.2信号隔离电路

　　麦克风输入信号经过信号采集电路的放大和滤波处理后，幅值已经大幅度提高。当接无线麦克风接收器输入时，输出幅值最高可能会接近10V的峰峰值。该信号经过信号隔离变压器的隔离处理，传输到KTV点播设备的USB声卡，实现了信号的物理隔离，具体如图4（图中只画出一路，另外一路一样）所示。麦克风输入信号经过隔直电容和运放跟随器的处理后，再经过第二级反向放大电路进行放大和滤波处理。该电路的放大倍数主要取决于R8和R6的比值。该参数值可根据实际配套的麦克风设备进行调整[6]。图4中采用的信号隔离变压器TSR1的初次级的匝数比为1.4:1（可以根据实际需要去做修改），其输入电阻和输出电阻都为2KΩ。已放大的麦克风信号经过该信号隔离电压器处理后，底噪会受到一定影响。因此，建议经过该信号隔离变压器的音频输出信号再经过一级滤波电路处理后，最终再输出给USB声卡电路。

　　4音频信号底噪指标测试

　　麦克风信号经过电源隔离电路和信号隔离变压器电路处理后，再输出给USB声卡电路，音频指标会受到一定的影响，尤其是在KTV产品应用中关注的底噪问题。可以通过使用AudioPrecision音频分析仪（型号：APX500）对经过信号隔离变压器处理后的音频信号进行底噪测试（频带范围：20Hz~20KHz），测试点选择TSR1的Pin1和Pin5，具体的测试报告如图5所示。从图5可以看出，经过音频隔离变压器处理后的音频底噪在20Hz~20KHz的频带范围内，相对比较低，大部分在50μVrms之下；实测信噪比可达到80dB，该指标可满足音准评分、声控游戏和语音控制功能需求，实现了KTV点播系统在不影响原本麦克风信号的前提下完成麦克风信号的采集功能。

　　5小结

　　KTV点歌设备通过增加电源和信号的隔离电路来采集麦克风输入信号，解决了直接采集麦克风信号受到KTV点播设备的主板数字地和效果器主板地形成的地环路的噪声影响，提高了音准评分、声控游戏及语音唤醒等功能的准确度，解决了在音箱系统中出现的噪声问题，提高了产品的兼容性。

　　参考文献

　　[1]伯格丁.信号完整性分析.北京:电子工业出版社,2005

　　[2]胡飞跃.模拟电子电路基础.北京:电子工业出版社,2013

　　[3]王剑宇,苏颖.高速电路设计实践.北京:电子工业出版社,2010

　　[4]郑军奇.电子产品设计EMC风险评估.北京:电子工业出版社,2008

　　[5]郑军奇.EMC电磁兼容设计与测试案例分析.第2版.北京:电子工业出版社,2010

　　[6]松井邦彦.OP放大器应用技巧100例.北京:科学出版社,2005

　　作者：吴并辉

文章名称：带隔离电路麦克风信号采集电路方案

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