UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA
INFORME DE PROYECTO
GRABADORA DE VOZ DIGITAL CURSO:
SISTEMAS DIGITALES GRUPO 2 – MARTES 11:00 a 13:00 hrs. JUEVES 12:00 a 14:00 hrs. PROFESOR:
ING. DARÍO UTRILLA ALUMNOS: • • •
CÁRDENAS PORTUGAL EDUARDO, 14190117. ESPINOZA QUISPE ESTEFANIE, 14190081. TAFUR BECERRA INGRID JASMIN, 14190106.
FECHA DE ENTREGA:
29/11/2018
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1. INTRODUCCIÓN El proyecto de grabadora de voz digital asignado en el laboratorio demanda conocimientos sobre muestreo de señales, tratamiento de señales, pre-procesamiento de señales, y de electrónica analógica y digital para su correcta implementación y desarrollo. En el presente informe se dará a conocer el diseño de circuito del proyecto y las características de procesamiento de voz que se aplican en el sistema planteado para su implementación.
2. MARCO TEÓRICO Definición: Como su predecesora la estándar o grabadora de microcasete puede grabar voz o sonidos echando a andar la función y sosteniéndola cerca de un sonido. Una grabadora digital no emplea cintas. En su lugar, almacena los archivos en formato digital. Algunos modelos de grabadoras digitales también te permiten almacenar y reproducir archivos, otros modelos cuentan con software de accesorios para prácticas de dictado y cuentan con la función de expandir la memoria con tarjetas de memoria flash. El consenso general es que la grabación digital tiene mejor sonido de calidad que las grabadoras de casetes. El sonido también será más claro y duradero porque no hay cintas de casete que puedan gastarse. •
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Registro de la voz humana y su muestreo. El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras que producen oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio. Filtrado de la voz necesaria para evitar el efecto de aliasing. El aliasing impide recuperar correctamente la señal cuando las muestras de ésta se obtienen a intervalos de tiempo demasiado largos. La forma de la onda recuperada presenta pendientes muy abruptas.
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Conversor ADC Es un dispositivo electrónico capaz de convertir una señal analógica, ya sea de tensión o corriente, en una señal digital mediante un cuantificador y codificándose en muchos casos en un código binario en particular. Almacenamiento en memoria SRAM SRAM significa memoria estática de acceso aleatorio, para denominar a un tipo de tecnología de memoria RAM basada en semiconductores, capaz de mantener los datos, mientras siga alimentada, sin necesidad de circuito de refresco. Conversor DAC Es un dispositivo para convertir un código digital (generalmente binario, compuesto de ceros y unos) a una señal analógica (corriente, voltaje o carga eléctrica). Filtrado de Smoothing para suavizar la señal de salida del DAC Es el conjunto de técnicas englobadas dentro del pre procesamiento de imágenes cuyo objetivo fundamental es obtener, a partir de una imagen origen, otra final cuyo resultado sea más adecuado para una aplicación específica mejorando ciertas características de la misma que posibilite efectuar operaciones del procesado sobre ella.
3. IMPLEMENTACIÓN Y DISEÑO El diseño consta de 6 etapas, de las cuales se explicará cada una de sus respectivas funciones.
Etapa de Entrada En esta etapa se incluye un micrófono Electret de tipo capacitivo, y un circuito de pre-amplificación. La función de transductor para la conversión de onda sonora a señal eléctrica la cumple el micrófono, del cual se obtienen señales muy pequeñas del orden de los microvoltios. Debido a que la señal obtenida del transductor es demasiado pequeña es necesario amplificarla. De esto se encarga el circuito de pre-amplificación que se tomó de referencia del diseño hecho por Texas Instruments, TIDU765. Con esto último se obtienen señales del orden de los milivoltios. [3]
A continuación se muestra el circuito utilizado para la etapa de entrada.
Figura 1. Diseño TIDU765 de Texas Instruments.
Figura 2. Diseño implementado para la etapa de entrada.
En vez de usar 9v para la polarización del JFET interno del micrófono se usó 12v, para aumentar la resistencia R18, lo cual permite una relación de ganancia en el ruido más bajo (detalles de cálculo en el datasheet).
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Etapa de Amplificación y Filtrado La etapa anterior nos proporciona una señal del orden de los milivoltios. Ahora, mediante un circuito de amplificación se vuelve posible obtener un nivel de señal del orden de voltios para poder inyectarla a la entrada de nuestro conversor ADC. Pero, primero esta señal debe filtrarse mediante un filtro pasabajo para evitar el efecto de aliasing, que en este caso se traduce en ruido sonoro. El filtro utilizado es un filtro analógico pasivo de segundo orden diseñado a la frecuencia de corte igual a la frecuencia máxima del registro de la voz. En la implementación se utilizaron los siguientes componentes: UA741 (amplificador operacional) Resistencias 390 Ω (x2) Capacitores 100 nF (x2) Potenciómetro de precisión 100 Ω • • • •
Figura 3. Filtro a 4 KHz y Amplificación.
Cálculos:
=
1
; R1=R8 y C4=C5.
2×1×4
=
1
= 4080 2 × (390Ω) × (100 ) = 4 … Frecuencia de corte del filtro pasivo de segundo orden.
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Etapa de Conversión ADC En esta etapa utilizamos el circuito integrado ADC0804 con resolución de 8 bits. Los requerimientos de entrada analógica para este C.I. se calcularon en la etapa de amplificación para lograr una entrada de hasta máximo 2.5V. El circuito utilizado se implementó según el modelo en su datasheet nombrado como “free running mode” debido a que genera un muestreo continuo según su propio reloj interno.
Figura 4. Conversión analógica a digital.
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Etapa de Almacenamiento A la entrada de esta etapa se utiliza un buffer tri-estado para controlar la entrada de datos proporcionado por el ADC hacia la memoria SRAM, y para evitar que la salida de datos de la memoria en el ciclo de lectura se retornen al ADC y vayan hacia el conversor DAC. El control del buffer es manejado junto con la lógica de control de los ciclos de lectura/escritura de la memoria. Este control se maneja manualmente con un pulsador: para escritura se debe mantener presionado, y para lectura se debe soltar. Luego del buffer se conecta la memoria SRAM de capacidad de 32Kx8bits, la entrada y salida de datos de ubican en sus 8 bits de datos con una cantidad de 32 000 palabras (números binarios de longitud de 8 bits). El C.I. tiene 17 bits de direcciones, es decir 217 direcciones, las cuales son manejadas por un circuito arreglado de contadores que tiene como reloj una frecuencia igual a 8 KHz (frecuencia de muestreo). A esta velocidad se guardarán y leerán los datos proporcionados por el ADC. También cabe resaltar que se utilizó un circuito de control de grabación/reproducción en los contadores que inicia el proceso de conteo y que, además, puede detener dicho proceso con solamente un pulso manual.
Figura 5. Buffer, memoria, contadores y lógica de control.
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Etapa de conversión DAC El circuito incluye el C.I. DAC0800 en operación bipolar. Los cálculos para la salida analógica fueron los siguientes: 0 = 0 =
255 × 4
2566 −255 × 4 2566
≈ 5 ≈ −5
Donde: = 5 ; 4 = 5 = 1 Ω; 6 = 7 = 2 Ω.
Figura 6. DAC.
Etapa de Salida Esta etapa incluye una amplificación de la salida del DAC y un filtro pasivo de segundo orden para suavizar la señal obtenida del conversor. El amplificador usado es el C.I. LM386, y el filtro es idéntico al filtro de entrada con valores calculados a la misma frecuencia de corte de 4 KHz.
Figura 7. Etapa de salida hacia bocina de 8 ohm.
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4. APÉNDICE •
ADC 0804
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DAC 0800
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SRAM 62256
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