没有ADC的MCU怎么来实现音频播放呢?

时间: 2024-05-01 02:26:25 |   作者: kaiyun体育官方网页

  ,但是DAC不是每个芯片都会存在,假如没有DAC,那又该怎么去办呢?于是PWM就成了一个不错的选择。因为一般的微控制器板子都会有PWM,这样的设计大大简化了语音设计的门槛。其原理是PWM可以变成一个DAC,接着进行语音

  学过物理知识的都知道,声音其实是一种波,通过空气振动等弹性介质传递到人的耳朵里引起耳膜震动,牵动大脑的听视觉神经,经过大脑处理后,就会产生听觉。

  人能够分辨的声音的频段为最低20Hz到最高20KHz。中学物理就学过,声音的三特征是:音调、响度和音色,响度是由声源振动的幅度决定的,振幅越大,响度越大;音调的高低和振动的频率有关,频率越高,音调越高;音色不同,波的特征也不同。

  既然声音是一种波形,波则有两个特征:频率和振幅。对于单片机来说,表述这两个概念则需要一定的技巧,频率是单片机本来就具有的特性,能够最终靠时钟产生特定频率的信号,对于振幅,数字信号0与1该如何表述呢?能够最终靠位宽深度来进行表述,比如8位的位宽深度则能表达的量化数据为0-256之间的数据,对于数字信号,声音数据也有采样的位宽,所以这个也可以用单片机描述,DAC则可拿来做这个,结合定时器产生特定的频率从而让机器发出声音。

  要想真正理解DAC是如何工作的,必须首先了解什么是模拟信号,模拟信号是一个一直在变化的电压,它可以完美的表达一直在变化的声波。麦克风可以将传入的声音转换为代表声音的模拟电信号,这些电信号通过扬声器将模拟电信号转换成原始声音。

  那么该如何记录这些模拟信号呢?很早的时候,人们就想出了将模拟信号存储为唱片上的凹槽。通过指针的来回移动从而表达出声音的电模拟信号。跟着时间的推移,将这种凹槽早已变成和数字信号存储在了硬盘或者各种磁带中,而这些0或者1则表示音频信号的信息。

  对于声音信号,光盘可以存储每秒为44100次的16位深度量化二进制数据(16bit/44kHz)。于是在进行DAC输出的时候,我们也可同样采用16位宽的DAC进行采样,然后以44kHz的频率将声音信号转化出来,这对于MCU上去操作DAC并非难事,只需要启用一个16位宽的DAC和一个定时器即可,定时器用于控制声音输出的频率,如采样率位44.1KHz,则按照该时钟频率输出即可。

  PWM(Pulse Width Modulation)最简单的理解就是MCU内部有个定时器,定时器特定的时间内将GPIO的电平翻转一下。对于翻转的时间间隔的比例就是占空比,而持续这两个过程则可以算为一个周期。这种是对于数字信号的描述,我们转变一下思维,从模拟信号的角度去理解pwm。

  则可以看到上面的图示了,在一个周期内,其占空比决定了平均电压值,红色的线表示平均电压。对于一个周期内的数据,我们大家可以进行量化,其量化的方式为首先设定(0~5v)之间的电压用(0-256表示),此时就可以有8位分辨率(2^8=256)。由于每个量化点都可以表示一个电压,而电压又直接和PWM的一个周期的占空比直接相关,所以能得到占空比和量化点的关系。同样的16位量化数据则表现的更为精确。但是如果量化的数据越大,则PWM频率越低(计数的时间变长),这是PWM的基本权衡。执行的越快,精度就越低。这里比较关键,但需要好好理解,随着PWM频率的不断的提高,其占空比的选择就不再那么随意了,精度会大大的降低。

  音频设备有个参数叫信噪比,是信号与噪声的比例,模拟信号必然会产生噪声。越好的设备信噪比越大,也就是需要非常大的增益才能听得到底噪。

  通常PWM发出的声音无法去除掉这一点,但这些声音有时会变得有趣,比如红白机8bit游戏音乐。

  也就是说,如果要获得更好的声音效果,可以有两种办法,第一种是降低PWM的频率,也就是上一章节解释的那样,想要获得更大的深度,则必须降低PWM的频率。第二种则是增加PWM的数量。根据奈奎斯特采样定理,PWM的最高频率至少是声音最高频率(20Khz)的两倍。

  上图描述了采样频率和PWM数量以及位宽深度的关系。如果增加PWM的数量,则能提高采样的精度,比如在不改变PWM的频率下能改变其位宽深度。

  我曾经看到过一篇很有意思的文章,就是讲了pwm然后用无源蜂鸣器做个播放器的播放《你笑起来真好看》这个曲目,我觉得很有意思。我的上述分析虽然不是完全的能结合上这个原理,但是至少能够在一定程度上帮助理解一下乐理知识。在音乐中,节奏和节拍两者相辅相成,构成音乐的骨架。使用PWM直接给无源蜂鸣器供电,当高电平时,无源蜂鸣器响,低电平时不响。然后给定音乐的节拍让其响或者不响,则可以演奏出乐曲出来,而人发出的声音却比这个要复杂许多,高低变化的声音,声调的变化要展示出来,是非常有难度的事情。

  本文分析了声音通过PWM或者DAC产生的一些原理和过程,其中比较关键的是PWM从模拟信号的角度上来看,其占空比的变化也可以变成电压信号。从而通过类似于DAC的原理,此时加上定时器,按照声音特定的频率去播放,则可以输出声音了。当然,本文至少从原理上说明这个方案是可行的,更多的细节和更多的技术实现还在是要接着来进行探索,后面会研究多个PWM如何提升声音信噪比以及带来的副作用是那些,也会去用MCU的视角去理解更多乐理知识。