Розробка цифрового диктофону

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ  УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

 

ІКТА

кафедра ЗІ

 

 

 

Розрахункова робота

на тему:

 

«Розробка цифрового диктофону»

 

з курсу «Системи запису і відтворення інформації»

 

Варіант № 5

 

 

Виконав: ст. гр. ЗІ-31

Грицан Д.М.

 

Прийняв: Совин Я.Р.

 

 

 

 

 

Львів 2013

Мета роботи – отримати навики проектування та розрахунку основних вузлів цифрових пристроїв для запису і відтворення інформації з використанням сучасної елементної бази.

Завдання:

1. Розробити принципову електричну схему цифрового диктофону згідно завдання та навести усі необхідні розрахунки.
2. Скласти специфікацію елементів схеми.
3. Навести всі необхідні розрахунки.
4. Навести АЧХ розрахованого мікрофонного підсилювача + фільтра.
5. Написати на мові MatLab або C функції запису файлу у MMC/SD-карту, на якій встановлена файлова система FAT16.
6. Написати на мові MatLab або C функцію запису файлу у wav-форматі.

 

 

Завдання варіанту

 

Варіант	Тип джерела живлення	Частота дискретизації, Гц	Степінь стиску	Час запису без стиску, годин	Тип мікрофону	Мікрофонний підсилювач + фільтр
19	LIR3048	8000	8	350	Електретний	Варіант 1

 

 

 

 

 

1. Розроблення принципової схеми цифрового диктофону

1.1 Оцінка споживаної потужності компонентів цифрового диктофону

Знаходимо необхідний об’єм  NAND-Flash пам’яті:

Об’єм (Гбайт)= 8000 3600 350 /1073741824 =9,38 Гбайт

Отже, для побудови диктофону  нам достатньо однієї мікросхеми NAND-Flash пам’яті, об’ємом 16 Гбайт.

З таблиці 7.1 вибираємо мікросхему K9MDG08U5M (Samsung) з організацією 16Gbx8.

 

Таблиця 1

Елементи схеми	Споживаний струм, мА
Мікроконтролер	≤ 10
MMC/SD карта пам’яті	≤ 100
Мікросхема NAND-Flash пам’яті	≤ 30
Мікрофон	≤ 1
ОП та пасивні елементи	≤ 5
Світлодіоди та органи управління	≤ 10
Кола управління живленням	≤ 5
Всього	≤ 161 мА

Отже кола живлення будуть розраховані на струм навантаження не менше 200 мА.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Вибираємо робочу напругу живлення елементів диктофону

 

Таблиця 2

Елементи схеми	Напруга живлення, В
Мікроконтролер	2.7-3.6
MMC/SD карта пам’яті	2.7-3.6
Мікросхема NAND-Flash пам’яті	2.7-3.6
Мікрофон	2.0-10.0
ОП	2.7-8.0
Світлодіоди	2.0

 

Приймаємо робочу напругу  VCC = 3.6В

 

3.  Вибираємо мікросхеми для формування напруг живлення елементів схеми

Оскільки одна батарейка типу LIR 3048 забезпечує напругу в діапазоні 0,9-3.6 В, а робоча напруга схеми 3.6 В, то необхідно використати мікросхему Step-Up стабілізатора. Step-Up стабілізатор буде живити цифрові кола та кола управління. Для аналогових кіл будемо використовувати LDO-стабілізатор на вихідну напругу 3.6 В.

В якості LDO-стабілізатора використаємо схему LP3985 з максимальним струмом навантаження 150 мА. При вхідній напрузі 3.6 вольта вихідна напруга такого LDO-стабілізатора рівна 3.0 В, тобто спад напруги на регулювальному транзисторі буде рівний 0.6 В.

Для Step-Up стабілізатора вибираємо схему TPC61025DRC (Texas Instruments). По DataSheet (Рис. 1) перевіряємо чи зможе ця мікросхема віддавати струм ≥ 200 мА при вхідній напрузі 0,9 В (батарея повністю розряджена).

 

 

 

4.  Синтез принципової схеми кіл живлення та розрахунок її параметрів

На підставі типових схем включення, наведених в DataSheet, синтезуємо принципову схему кіл живлення (Рис. 2).

Рис. 2. Схема принципова кіл живлення

Вхідний конденсатор служить  для придушення пульсації та електромагнітних завад. Згідно DataSheet конденсатор С1 повинен бути керамічний, з ємністю не менше 10 мкФ та діелектриком типуX7R або X5R.

Вибираємо С1 = 10 мкФ (SDM-конденсатор, 0805, 10%, 16 В, X5R).

Детектор розряду батарей  сигналізує про те що напруга батареї  стала менше певного порогу V_TRN, який задається резисторами R1 і R2.

Напруга на резисторі R2 рівна напрузі внутрішнього джерела сигналу V_R2 = 0.5 В. Значення резистора R2 вибирається таким чином, щоб струм, який протікає через нього був у ≥ 100 разів більше вхідного струму виводу LBI (Low Battery Input). Типовий струм виводу LBI становить І_LBI = 0.01 мкА.

І_R2 = 0.01 мкА * 100 = 1 мкА.

Знаходимо опір резистора  R2:

Вибираємо R2 = 510 кОм (SMD-резистор, 0805, 5%, 0.125 Вт).

Задаємо поріг розряду  батарей 2.1 В. Тоді

Вибираємо R1=1650 кОм (SMD-резистор, 0805, 5%, 0.125 Вт).

Вивід LDO сигналізує про зниження напруги нижче порогу встановленням в 0. Цей вивід є з відкритим колектором, тому його потрібно підключити до напруги живлення через підтягуючий резистор R3.

  Приймемо R3=1 МОм (SMD-транзистор, 0805, 5%, 0,125 Вт).

Струм I_L через індуктивність L1 визначається за формулою:

,

де I_OUT - вихідний струм; V_OUT – вихідна напруга; V_BAT – мінімальна вхідна напруга.

Отже      А,

Значення індуктивності  L1 повинно знаходитися в межах 2.2-22 мкГн. Формула для оцінки номінального значення L1:      

де  – пульсації струму, які не повинні перевищувати 20% від середнього значення струму через індуктивність; f – частота переключення (згідно DataSheet     f_MIN =480 кГц, f_TYP = 600 кГц, f_MAX = 720 кГц).

Отримаємо         мГц

Приймемо L1 = 6,8 мкГн. Вибираємо індуктивність B82462G4222M000.

Вихідний конденсатор  визначає максимальні пульсації  вихідної напруги. Пульсації визначаються двома параметрами конденсатора: ємністю та еквівалентним послідовним  опором (ESR). Мінімальне значення ємності за умови ESR=0 визначається виразом:

,

де f – частота переключення; -максимальні дозволені пульсації.

Для пульсацій  мВ, отримаємо

 мкФ.

Виберемо конденсатор  С3=100 мкФ, з робочою напругою 10 В та ESR=18 мОм типу T520B336M010A(1)E018.

Паралельно вмикаємо керамічний конденсатор С2=2.2 мкФ (SMD-конденсатор, 0805, 10%, 25 В, X7R).

Додаткові пульсації за рахунок  ESR конденсатора С3 будуть становити:

мВ.

Живлення аналогових кіл  мікрофону та підсилювача здійснюється від напруги AVCC=3.0 B, яка формується LDO-стабілізатором DA2. Якщо запис не ведеться, то для зменшення енергоспоживання мікросхема DA2 відключається мікроконтролером, шляхом подачі сигналу логічного нуля на вивід MICEN.

В якості вхідного конденсатора С4 рекомендований керамічний з ємністю 1 мкФ.приймаємо С4=1мФ. Згідно рекомендацій DataSheet вибираємо С5=10 мкФ (SMD - конденсатор, 0805, 10%, 10 В, X7R) та С6=1 мкФ (SMD - конденсатор, 0805, 10%, 10 В, X7R).

 

5.  Синтез схеми мікрофонного підсилювача та фільтра

Приймемо, що максимальний рівень звукового тиску SPL = 100 дБ.

Знаходимо абсолютне значення звукового тиску:

При типовій чутливості мікрофону S=-48 дБ, будемо мати напругу 

мВ.

Оскільки вбудований АЦП  мікроконтролера ATmega16 має діапазон перетворення від 0 до AVCC, а сигнал підсилюється відносно середнього рівня AVCC/2, то коефіцієнт підсилення                 

Рис. 3. Схема мікрофонного підсилювача на ОП

Згідно технічних даних  мікрофона резистор R1 повинен бути 2.2 кОм. Вибираємо резистор R1=2.2 кОм (SMD-резистор, 0805, 5%, 0.125 Вт).

Подільник напруги на резисторах R4 та R5 формує напругу зміщення рівну AVCC/2=1.5 В. Вибираємо R4=R5=100 кОм (SMD-резистори, 0805, 5%, 0.125 Вт).

Значення ємності конденсатора С2 згідно даних становить 1 мкФ. Вибираємо  конденсатор С2=1 мкФ (SMD-конденсатор, 0805, 10%, 16 В, Х7R).

Коефіцієнт підсилення рівний:

Вибираємо R2=2,5кОм (SMD-резистор, 0805, 1%, 0.125 Вт). Тоді

кОм

 

Вибираємо R3=470kОм (SMD-резистор, 0805, 1%, 0.125 Вт).

Визначимо частоту зрізу  фільтру з теорема Котельникова:

Згідно завдання частота  дискретизації становить 8000 Гц. Отже

Гц

Приймемо частоту зрізу  дещо меншою, оскільки АЧХ фільтра  повільно спадає. Отже

 Гц

Частоту зрізу фільтра F_c приймемо дещо меншою F_max, оскільки АЧХ фільтра Баттерворта досить повільно спадає. Приймемо, що F_c=3500 Гц.

Вибираємо С1=0,1 мкФ (SMD-конденсатор, 0805, 10%, 16 В, X7R), С3=10 пФ (SMD-конденсатор, 0805, 10%, 25 В, X7R).

Резистор R6 та конденсатор С3 утворюють  додатковий RС-фільтр низьких частот, сигнал з виходу якого подається  на вхід АЦП. Вибираємо С4=1 мкФ (SMD-конденсатор, 0805, 10%, 16 В, X7R), R6=5 kОм (SMD-резистор, 0805, 1%, 0.125 Вт)

Резистор R7 – резистор навантаження, тому R7=1 МОм (SMD-резистор, 0805, 5%, 0.125 Вт)

2. Синтез схеми підключення MMC/SD-карти до МК

Мікроконтролер ATmega16 містить  вбудований SPI-інтерфейс, який можна  використати для підключення до MMC/SD-карти пам’яті (Рис. 4).

Призначення виводів МК:

Вивід PB4 – #CS.

Вивід PB5 – MOSI.

Вивід PB6 – MISO.

Вивід PB7 – CLK.

Вибираємо R13-R17=51 кОм (SMD-резистор, 0805, 5%, 0.125 Вт). В якості SD-слоту X1 вибираємо MMC/SD-слот CCM05-5507 (Рис. 5).

Рис. 4. Схема електрична принципова інтерфейсу з MMC/SD-картою пам’яті

Рис. 5. MMC/SD-слот CCM05-5507

1. Синтез схеми підключення MMC/SD-карти до МК

Схема підключення NAND-Flash пам’яті  до МК наведена на Рис. 6. Для виводів даних І/О0-І/О7 використаємо порт С мікроконтролера, для підключення керуючих виводів – порт D.

Вибираємо R18=R19=51 кОм (SMD-резистор, 0805, 5%, 0.125 Вт).

2. Синтез схеми органів управління та індикації та їх підключення до МК.

Для індикації наявності  живлення використовується світлодіод червоного кольору LED1 підключений до виводу РВ0 мікроконтролера (Рис. 7). У випадку розряду джерела живлення нижче встановленого порогу світлодіод починає блимати. Режим запису відображається світлодіодом зеленого кольору LED2, підключеним до виводу РВ1. Запис без компресії – неперервне світіння, з компресією – блимання з частотою 1 Гц.

Рис. 7. Кола індикації диктофону

 

Рис. 6. Схема підключення мікросхеми NAND-Flash пам’яті

Використаємо світлодіоди  з низьким споживанням струму: D1 – SML-311UT (SMD-світлодіод, 0603, IF<10 мА) та D2 – SML-311BT (SMD-світлодіод, 0603, IF<10 мА). Вибираємо R20-R21=470 Ом (SMD-резистор, 0805, 5%, 0.125 Вт).

 

В якості перемикача подачі живлення, включення/виключення запису та вибору режиму запису SW1 візьмемо вертикальний Push Switch типу PB-11D03 (1 А, 30 В) компанії Wealth Metal Factory Ltd.