麦克放大器自动增益控制电路的设计

郎文飞，李 娜

(焦作大学 机电工程学院, 河南 焦作 454000)

1 引言

人类能够听到的音频范围是20 Hz～20 kHz，但讲话的音频范围是0.3～3 kHz，在AI领域智能语音控制对音频的研究范围就是0.3～3 kHz[1～3]。因此麦克放大器自动增益控制电路设计的频率范围也就是0.3～3 kHz。

麦克在获取语音信号之后，就将一个模拟的声音信号转换成一个变化规律相同的电信号，完成第一步数据采集的的任务。但是，采集过来的语音信号电平有时会很大，有时会很小或者有突变；电平太大，信号会阻塞、失真，谐波和噪声会加大，影响通话。需要将信号的放大倍数减小，以获取一个电平正常的值，保证正常通话。电平太小，会听不清或听不到通话，就需要进行适当地放大，以获取一个正常的电平值，保证正常通话。要解决上述两个问题，就必须对咪头采集的信号进行自动增益补偿：将小信号进行较大的放大，将大信号进行较小的放大，对其电平值进行限制。下面就是采用NI公司生产的NIM2904V设计的一款麦克信号放大和自动增益控制电路[4～8]。

2 MIC AMP&AGC电路的原理框图

MIC AMP&AGC电路的原理框图如图1所示。

图1 MIC AMP&AGC电路的原理框图

3 MIC AMP&AGC电路的原理图

MIC AMP&AGC电路的原理图如图2所示。

图2 MIC AMP&AGC电路的原理

本设计采用的芯片NIM2904V主要由两个高精度的放大器组成。输入信号从in端口经6引脚输入放大器，若信号过小，则信号放大后直接由7引脚输出供后级处理电路使用，二级放大电路不工作。若输入信号过大，二级放大电路工作，同时将信号由输出引脚1经D1，整流成直流电平加在Q1的基极，以控制Q1的饱和程度来达到对输入信号的衰减作用，从而达到无论输入信号过大或过小，输出电平都会维持在一个合理的范围。

4 MIC AMP&AGC电路PCB板图

MIC AMP&AGC电路PCB板图如图3所示。

图3 MIC AMP&AGC电路的PCB板图

5 电路实测

电路测试时采用音频频率为1 kHz，功率范围1～30 mV的音源加在输入端口。实验测试数据如表1所示。

表1 不同条件下咪头输出稳定性

测试的输入输出信号曲线如图4所示。

由图4可以看出当输入在1～3 mV时放大增益很大，当输入信号增强时(11～30 mV)放大增益相应衰减，可以将输出信号稳定在一个合理的区间。很好地符合了设计的初衷。

图4 输入信号和输出信号曲线

6 实物测试

本电路分别在手机和智能音箱上做实验，效果改善非常明显。

(1)在手机上实验：人的嘴巴距离咪头5～30 cm的范围内，发送的话音电平变化不大。通话声音清晰、音量感觉舒适，嘴巴不必靠近咪头就可以讲话并正常发送语音信息进行通话。

(2) 在智能音箱上实验：在以5 W的功率播放音乐的情况下进行智能语音识别实验，测试人员用正常的语音、语速做语音识别的唤醒、关键词以及播放指令实验，效果良好；在距离智能音箱5 m时仍能进行智能语音操作，比不加MIC AMP&AGC电路可增加1.5～2 m，效果明显。

7 结论

本文设计的自动增益控制电路，相较于软件实现的AGC，不需要复杂的算法，而且设计简单、可靠、效果显著。为各类智能语音控制技术提供了一个很好地前端解决方案。