Przedwzmacniacz mikrofonowy z procesorem DSP typu ADAU1772

Przedwzmacniacz mikrofonowy z procesorem DSP typu ADAU1772
Pobierz PDF Download icon

Zastosowanie procesora DSP w przedwzmacniaczu mikrofonowym daje możliwość szeroko rozumianej korekty dźwięku, a w tym zmiany pasma przenoszenia, filtrowania niepożądanych składowych, miksowania sygnałów oraz ograniczania poziomu. Na otrzymywany na wyjściu sygnał można wpływać programowo, nie do poznania zmieniając głos użytkownika. Rekomendacje: przedwzmacniacz oprócz podstawowej funkcjonalności, może być bazą dla układów formowania wiązki z dwóch mikrofonów, eksperymentów z aktywnym tłumieniem zaburzeń, budowy mikrofonu z blokadą szumów lub mikrofonu stereofonicznego.

Podstawowe parametry:
  • Obróbka sygnału z częstotliwością próbkowania do 192 kHz.
  • 4 przetworniki A/C o rozdzielczości 24 bitów, 2 przetworniki C/A również o rozdzielczości 24 bitów.
  • Tor audio o małej latencji.
  • Wbudowane obwody polaryzacji dla mikrofonów elektretowych.
  • Wbudowany driver dla słuchawek (do 30 mW przy 16 V).
  • 4 bloki wzmacniacza o programowym wzmocnieniu (PGA) w torze przetwornika A/C.
  • Dwukierunkowy interfejs I2S, TDM.
  • Możliwość współpracy z mikrofonem z interfejsem cyfrowym.
  • Wbudowany modulator PDM dla wzmacniaczy cyfrowych.
  • 7 konfigurowalnych GPIO.
  • Tryb selfboot umożliwiający pracę bez zewnętrznego mikrokontrolera.
  • Napięcie zasilania z zakresu 1,8…3,3 V, pobór mocy nieprzekraczający 50 mW.
  • Łatwe programowanie za pomocą środowiska graficznego Sigma Studio (od wersji 3.14).

Na łamach „Elektroniki Praktycznej” opisywałem kilka przedwzmacniaczy mikrofonowych. W tym projekcie pierwszy raz do obróbki sygnału z mikrofonu zastosowałem procesor sygnałowy typu ADAU1772. Jest on dobrze znany czytelnikom chociażby z lektury artykułów lub projektu PicoDSP.

Procesor ADAU1772

Procesor jest kompletnym systemem audio typu SoC (rysunek 1). Zintegrowano w nim nie tylko rdzeń DSP, ale także kodek audio z przedwzmacniaczami, blokami programowalnego wzmocnienia PGA oraz pomocniczymi modułami peryferyjnymi, takimi jak np. obwody polaryzacji mikrofonów pojemnościowych. Układ ADAU1772 jest przeznaczony głównie do aplikacji mobilnych, w których jest niezbędna podstawowa obróbka sygnału audio, taka jak: korekta pasma przenoszenia, filtrowanie zaburzeń, miksowanie oraz ograniczanie poziomu sygnału audio. Opisywany przedwzmacniacz może być bazą testową dla układów formowania wiązki z dwóch mikrofonów (Beam-Forming), eksperymentów z aktywnym tłumieniem zakłóceń, budowy mikrofonu z aktywnym tłumieniem szumów (Active Noise Cancellation) lub mikrofonu stereofonicznego. Takich możliwości nie ma żaden z modułów przeznaczonych do współpracy z mikrofonem.

Rysunek 1. Schemat blokowy procesora ADAU1772 (źródło: karta katalogowa Analog Devices)

Przedwzmacniacz mikrofonowy z procesorem DSP, którego schemat ideowy zaprezentowano na rysunku 2, opracowano jako uniwersalny blok funkcjonalny. Współpracuje z dwoma typowymi, miniaturowymi mikrofonami pojemnościowymi i ma dwa wyjścia liniowe. Ze względu na niewielki pobór mocy moduł może być zasilany z akumulatora Li-Po lub trzech połączonych szeregowo ogniw AA, co ułatwia zastosowania mobilne. Funkcjonalność jest definiowana programowo, a program jest zapamiętany w pamięci nieulotnej EEPROM.

Rysunek 2. Schemat ideowy przedwzmacniacza z procesorem ADAU1772

Budowa przedwzmacniacza

Sercem płytki są procesor ADAU1772 (U1) i współpracująca z nim pamięć programu EEPROM typu 24LC32 (U2) z interfejsem I2C. Po skonfigurowaniu trybu selfboot moduł może pracować samodzielnie bez procesora nadzorującego jego pracę (wyciągnięta zwora SB). W zasilaczu zastosowano 3-woltowy stabilizator LDO typu ADP160AUJZ-3.0 (U3), umożliwiający zasilanie zestawu napięciem stałym z zakresu 3,2…5,5 V.

Zestaw ma dwa gniazda wejściowe dla mikrofonów pojemnościowych MICA i MICB. Polaryzację mikrofonów zapewnia wbudowany w DSP blok zasilacza o napięciu wyjściowym (AVDD) ustawianym na 0,6 V lub 0,95 V. Rezystory R3 i R4 polaryzują mikrofony, a kondensator C4 filtruje ich zasilanie. Wydajność prądowa jest wystarczająca do zasilania kilku mikrofonów, więc można eksperymentować z ich połączeniem równoległym (na przykład 4 sztuki równolegle) w celu podwyższenia czułości lub obniżenia poziomu szumów. Sygnał wyjściowy (liniowy) jest dostępny na złączu OUT. Kondensatory C13 i C18 separują wyjścia od składowej stałej z DSP. Taktowanie DSP zapewnia wbudowany generator współpracujący z kwarcem XT o częstotliwości 12,288 MHz. Rezystory R8 i R9 zasilają magistralę I2C.

Układ jest programowany oraz konfigurowany tak, jak pozostałe procesory sigma DSP, to znaczy za pomocą interfejsu USBi. Ze względu na konieczność zachowania niewielkich wymiarów płytki drukowanej zrezygnowano z typowego złącza USBI (IDC10) na rzecz miniaturowego złącza PWR i kabla IDC10-JST5 (R=2 mm), służącego do doprowadzenia zasilania i sygnałów interfejsu I2C podczas programowania. Programator zapewnia zasilanie podczas testowania aplikacji. W układzie docelowym zasilanie VUSB (3,2…5,5 V) musi być doprowadzone do pinów 1+3 złącza PWR.

Montaż

Układ zmontowano na niewielkiej, dwustronnej płytce drukowanej – jej schemat montażowy pokazano na rysunku 3. Podczas montażu należy zadbać o poprawne przylutowanie pada termicznego procesora DSP.

Rysunek 3. Schemat montażowy przedwzmacniacza z procesorem ADAU1772
Rysunek 4. Konfiguracja procesora i pamięci EEPROM
Rysunek 5. Konfiguracja bloku PLL ADAU1772
Rysunek 6. Konfiguracja rdzenia ADAU1772

Do programowania, a raczej konfigurowania układu ADAU1772 służy Sigma Studio w wersji od 3.14, które jest udostępnione za darmo, wymaga jedynie rejestracji na stronie producenta. Jest to środowisko graficzne, w którym „rysujemy” schemat z gotowych, parametryzowanych bloków funkcjonalnych oraz określamy konfigurację sprzętową procesora. Po poprawnym zainstalowaniu oprogramowania i sterowników USB jest możliwe rozpoczęcie pracy z modułem przedwzmacniacza. Po skonfigurowaniu układu procesora i pamięci zestawu konieczne jest przejście od konfiguracji DSP zgodnie z rysunkami 5…9 do „wyrysowania” aplikacji (rysunek 10) oraz zaprogramowania pamięci EEPROM (zwora SB zwarta) według rysunku 11. Po zaprogramowaniu, wyłączeniu zasilania, zdjęciu zwory SBT i podaniu zasilania zewnętrznego procesor DSP realizuje funkcje już bez pomocy USB i i środowiska Sigma Studio.

Rysunek 7. Konfiguracja bloków ADC i PGA
Rysunek 8. Konfiguracja przepływu sygnału
Rysunek 9. Konfiguracja bloku DAC i sekcji wyjść
Rysunek 10. Przykładowa aplikacja wykonana za pomocą Sigma Studio
Rysunek 11. Programowanie pamięci EEPROM

Funkcjonalność płytki została określona aplikacją pokazaną na rysunku 10. Sygnały z wejść mikrofonowych MICA i MICB są sumowane i podawane na blok filtrów (rysunek 12). Dopasowanie wzmocnienia toru odbywa się poprzez zmianę wzmocnienia bloku PGA i załączenie dodatkowego wzmacniacza PGA0/1 Boost +10 dB w konfiguracji ADC/PGA z rysunku 7. W tej zakładce jest aktywowany blok zasilacza polaryzacji mikrofonów i zostaje określone napięcie polaryzujące.

Rysunek 12. Charakterystyka filtru mowy

Blok filtrów składa się z kaskady filtrów dolno- i górnoprzepustowych, których realizacja analogowa wymagałaby zastosowania kilkunastu elementów. Dla poprawienia zrozumiałości mowy w bloku są odfiltrowywane niskie i wysokie częstotliwości składowe. Ze względu na brak multiplekserów w bibliotekach ADAU1772 na czas testów filtry „bypass” zrealizowano za pomocą bloków wyciszania Mute i sumatora. Odfiltrowany sygnał jest podawany na regulator poziomu, a stąd do bloku ogranicznika poziomu (limitera), który do poprawnego działania wymaga aktywacji w konfiguracji rdzenia DSP (rysunek 6). Zadaniem limitera jest ograniczenie wzmocnienia sygnału po przekroczeniu progu Treshold przez czas dłuższy od Attack Step. Z limitera sygnał jest doprowadzony do filtru dolnoprzepustowego, eliminującego ewentualne „ostre” skutki pracy limitera. Ostatnim blokiem jest wyjściowy regulator poziomu i rozdzielacz sygnału na dwa wyjścia.

Uwaga! W tym miejscu warto wspomnieć o przeznaczonym dla ADAU1772 rozdzielaczu sygnału T-Block, dostępnym w bibliotece Other System CellsT ConnectT Connection 1772, ponieważ standardowy blok T Connection nie działa z procesorem ADAU1772. Ta drobna różnica może skutkować nieprzewidywalnym zachowaniem się aplikacji, ponieważ Sigma Studio nie sygnalizuje tego jako błąd.

Przepływ sygnału przez procesor jest standardowy, to jest sygnały z ADC0 i ADC1 są doprowadzone do rdzenia DSP, skąd po obróbce są wysyłane do DAC0 i DAC1 zgodnie z rysunkiem 8. Przetworniki C/A są aktywne i skonfigurowane do pracy jako wyjście liniowe (rysunek 9).

Na schemacie z rysunku 10 są widoczne bloki Stimuls i Probe, które pozwalają na symulowanie charakterystyki przenoszenia amplitudy i fazy sygnału, pomocne podczas uruchamiania układu, szczególnie jeśli wykorzystujemy filtry cyfrowe. Przykład symulacji działania filtru mowy pokazano na rysunkach 12 i 13. Oczywiście przykładowa aplikacja nie wyczerpuje możliwości układu ADAU1772, a stanowi tylko szablon i zachętę do własnych eksperymentów z jednym z najprostszych procesorów rodziny Sigma DSP. Kompletna dokumentacja ADAU1772 jest dostępna na stronie producenta oraz na stronie wsparcia technicznego https://ez.analog.com.

Rysunek 13. Przykładowa symulacja filtru mowy w Sigma Studio

Adam Tatuś, EP

Wykaz elementów:
Rezystory: (SMD 0805, 1%)
  • R1, R7, R12: 100 Ω
  • R2, R5, R10: 10 kΩ
  • R3, R4, R8, R9: 2,2 kΩ
  • R6, R11: 47 kΩ
Kondensatory: (SMD 0805)
  • C1, C2: 22 pF
  • C3, C4, C8, C11, C13, C14, C16, C18: 2,2 μF
  • C5…C7, C9, C10, C12, C15, C17: 100 nF
Półprzewodniki:
  • U1: ADAU1772BCPZ (LFCSP40)
  • U2: 24LC32A (MSOP8)
  • U3: ADP160AUJZ-3.0 (SOT-23-5)
Inne:
  • FB: 1 μH (dławik 1 μH/150 mA, SMD 0805)
  • MICA, MICB, OUT, PWR: złącze JST R=2 mm, proste
  • SB: złącze SIP2, R=2 mm + zwora
  • X1: rezonator kwarcowy 12,288 MHz
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
luty 2019
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik maj 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio czerwiec 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje maj 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna maj 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów