测试说明一下通用语音采样电路  

最近不是有语音应用的需求，之前研究了一下音频的播放，最近还需要进行语音采集，也是做了一些功课，研究了一下常用的语音采样电路。

所以本文主要就是聊一下语音采样基础以及采样电路测试分析 。

我是矜辰所致，全网同名，尽量用心写好每一系列文章，不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！

📑 本文目录
前言
一、📡 基础说明
├─ 1.1 内部结构与工作原理
├─ 1.2 静态电压与偏置电路
├─ 1.3 偏置电阻取值
├─ 1.4 MEMS 硅麦克风
└─ 1.5 一些补充说明
二、🔧 语音采样电路
├─ 2.1 电路一（通用电路）
│ ├─ 2.1.1 MIC 头型号
│ ├─ 2.1.2 MIC 供电和偏置电阻
│ ├─ 2.1.3 隔直电容和直流偏置
│ ├─ 2.1.4 反馈网络
│ └─ 2.1.5 输出滤波
└─ 2.2 电路二（低成本）
结语

一、基础说明

先简单介绍一下 MIC 麦克风工作原理，现在有了 AI ，原理介绍这种基础的内容，大家不懂的都可以自行网上搜索，所以我们就简单的介绍一下即可。

1.1 内部结构与工作原理

以常见的驻极体 MIC 为例：

驻极体 MIC 内部本质上是一个可变电容器   一个 JFET（场效应管）。

它的声音到电信号的转化过程：

声波 → 振膜振动 → 极板间距 d 变化 → 电容 C 变化 → 电压变化（V = Q/C）→ JFET 阻抗变换/放大 → 输出低阻抗电信号
说明：振膜上的驻极体电荷 Q 基本恒定，所以电容变化直接转化为电压变化。但电容本身产生的信号极其微弱且阻抗极高，必须靠内部 JFET 转换成低阻抗信号才能输出。

1.2 静态电压与偏置电路

MIC 不能直接接电源，必须通过一个外部偏置电阻接到 VCC：

• • JFET 需要直流偏置才能工作（设置静态工作点）

• • 偏置电阻给 JFET 提供工作电流

无声状态：

无声时，JFET 存在恒定静态漏极电流 Id 。
电源 VCC 经过偏置电阻接到 MIC 输出端；电流流过偏置电阻 R 产生压降，输出端维持一个稳定直流静态电压。

静态电压由 供电电压 VCC、偏置电阻 R、JFET 静态电流 Id 三者共同决定。

有声状态：

• • 有声音时，内部电流随声音起伏，偏置电阻上的压降也随之起伏

• • 最终在输出端表现为：静态直流电压上叠加了一个交流音频信号

• • 声音越响 → 振膜振幅越大 → 交流信号振幅（峰峰值）越大

• • 声音频率 → 对应电压波动频率

MIC 输出会串联一个隔直电容，滤掉静态直流，只保留交流音频信号送去放大。

1.3 偏置电阻取值

首先肯定是参考使用数据手册标注参数，进行选取，MIC 的 Datasheet 上应该有 推荐工作电压，推荐偏置电阻阻值，典型工作电流 。

查看不到手册的情况按照常用的 2.2kΩ @ 2V 试配，关键是要知道偏置电阻的影响：

• • 偏置电阻过大
  灵敏度下降、噪声变大、声音失真（信号顶部被削），静态电压被拉得太低，FET 无法正常工作

• • 偏置电阻过小
  静态电流变大，输出音频振幅变小。

1.4 MEMS 硅麦克风

硅麦属于集成化产品。把原本驻极体 MIC 中分离的 “ 电容传感   JFET ” 做进了半导体工艺，还集成了更完整的信号调理电路 。

对于我们硬件设计来说，它最直观是硅麦（非数字型）不需要偏置电阻，后端放大电路可以是用同一套的，同时还需要注意一下 驻极体 MIC 供电通常是宽电压的，而硅麦通常是有规定供电电压的 ，其他的一些细节问题自行查找，并不决定我们的电路设计 。

另外，硅麦比驻极体普遍贵一些的。

1.5 一些补充说明

一些常见问题的补充说明（持续更新）：

• • 人正常情况下说话，声音大小和快慢并不影响频率。
  声音的大小影响的输出的 振幅，最终体现就是 ADC 采样的值更大，但是它的频率是不变的。
  说话声音的快慢也不影响频率。
  除非我们主动提高音调、压低嗓音（比如模仿女声 / 男声），声带振动速度改变，这种才会改变最终信号的频率。

二、语音采样电路

只要是模拟 MIC，送入 ADC 前的链路基本遵循：

MIC 输出 → 隔直电容 → 前置放大/增益调节 → 抗混叠滤波 → ADC

在某些低成本和要求不高的场合，作为优化环节的 滤波 可以简化或省略。

2.1 电路一（通用电路）

下面是一个标准的通用 MIC 采样电路：

该电路博主是在 B 站 唐老师讲电赛 视频里面找到的，说这个是 TI 的一个采集参考电路。
框架一样，只是博主的阻容有细节调整，这个都看个人的需求，下文博主也会讲解阻容如果要调整，应该怎么调整

实际测试的时候，博主都没有焊接运放输出端的低通滤波器 。

所有的 驻极体 MIC 语音采集电路，基本都是这个框架，如果是硅麦的话，只是前面不需要偏置电阻，直接给一个电源，麦克风输出串电容，到放大电路即可，比如如下示意图：

2.1.1 MIC 头型号

对于 MIC 头，并不需要固定某一款型号，基本上通用模拟 MIC 头都是可以的， 硅麦 和驻极体都是可以使用此电路的 。

比如某宝某店的 3 毛钱一个的 MIC 头子就可以：

比如博主测试的板子上面有 3 个头子，一个硅麦，2个驻极体，测试都可以使用此电路：

OK，我们来分析一下上面这个通用电路。

另外关于下文提到的滤波器与运放的相关基础知识可参考博主之前的文章：

电路基础知识 —— 滤波器

带你理解运算放大器

2.1.2 MIC 供电和偏置电阻

首先是供电部分和偏置电阻部分，在上图中，R23 为 MIC 偏置电阻，前面那些阻容都是电源滤波器，电源滤波器并不是必要的，只是推荐，简单的 MIC 供电电路如下：

供电部分要知道的知识点为：

偏置电阻决定 MIC 工作电流，电流约等于 (Vcc - V_FET) / R 。

V_FET 是 MIC 内部集成耗尽型 JFET，正常放大信号时，漏源之间存在的直流压降 V_DS（工程常简写为V_FET） ，典型 0.7~2V。

设计偏置电阻时，需要根据偏置电阻计算 MIC 静态电流，MIC 推荐静态电流约 0.3~0.5mA 。电流大小直接影响 MIC 输出信号幅度 ，电流越大，输出信号幅度越大。

2.1.3 隔直电容和直流偏置

接下来 MIC 输出串联耦合电容隔直，这里比较简单，按理来说，这个就是交流信号了，经过放大就是最终我们需要的信号了，但是实际应用电路中，都会给一个直流偏置 (上图中电阻分压后大概 1.72V )，这是因为ADC采集只能采直流，还有单电源供电运放只能是交流叠直流 。

所以我们需要一个直流偏置，给电路一个静态工作点，但是我们又不能放大这个直流偏置，所以在反馈网络里面需要处理，使得只放大交流的 MIC 输出信号。

单电源运放必须用分压电阻将同相输入端（IN ）偏置到大概 Vcc/2 的位置，这是电路正常工作的前提。MIC 交流信号也通过耦合电容进入 IN 。

同时在这个部分，这个隔直电容会与 运放偏置分压电阻的并联值组成高通滤波器，电容越大，低频保留越多 。

2.1.4 反馈网络

反馈网络，先看最基础的，放大倍数只看电阻，由 R22 和 R21 决定放大倍数为：

1   200K/820 = 245 倍 。 实际应用中大家根据自己的需求调整即可。

C23   R22 :

我们知道前面我们有一个直流偏置 1.72V 左右的电压 ，我们只需要放大交流信号，不希望直流偏置被放大，这个关键的电容就是 C23 , 它把直流隔开,使得直流没有放大。同时它又与 R22 构成一个 RC 高通滤波器 :

截止频率 fc = 1 / (2π × R22 × C23)
= 1 / (2π × 820 × 0.47e-6) ≈ 410 Hz

低于 400Hz 左右的声音（比如低频嗡嗡声、震动噪声）会被衰减掉。对语音来说，，这个截止频率略高，是为了更好地抑制低频环境噪声,可根据实际需求调整。

C24＋R21 :

C24＋R21 本质上是一个低通滤波器:

fc = 1 / (2π × R21 × C24)
= 1 / (2π × 200K × 51e-12) ≈ 15.6 kHz

15.6kHz 的截止频率在音频带外，但可以滤除 AM 广播、开关电源噪声等高频干扰，避免这些信号混叠进有用频段。

所以总结上面分析,如果调整放大倍数的电阻,对于的构成滤波器的电容也有必要跟着调整 。

实际的放大倍数，要根据自己实际的测试结果，如果测试的时候正常说话发现，波形很容易超过上下限（上图示例为 0~ 3.3V），那么就得调整放大倍数，如果发现波形上下波动过小，就得加大放大倍数。 当然，还需要配合采集芯片的 ADC 的量产范围来选择一个合适的值 。

2.1.5 输出滤波

输出端的 R20   C22 是一个基础的低通滤波器：

截止频率 fc = 1 / (2π × 820 × 150e-9) ≈ 1.3 kHz

示例图中这个截止频率比较低，是应该是针对特、简单语音指令识别，有意把带宽收窄，抑制带外噪声。博主测试并没有焊接这个低通滤波器,一样是可以正常采集，然后 AI 语音识别正常的。

这里简单给大家看一下示波器测量的效果，没有说话的时候 1.72V 稳定电压，有声音的时候上下波动：

额外提一下，上面原始电路的放大倍数是很大的，很容易采样溢出超过上下限，上图是博主缩小后的，其中刚开始因为对着 MIC 距离很近，也能看到输出达到最大值被切断了，所以放大倍数需要根据实际的应用结合实测的效果进行合理的调整的。

2.2 电路二（低成本）

另外再介绍一个电路，此电路是沁恒语音遥控器的 DEMO 电路：

示例使用的是硅麦，所以只需要供电就能直接输出，供电根据手册推荐选择，也可使用 GPIO 直接驱动。电路没有输出端的滤波电路，所以我们只需要分析一下增益电路 （个人查询各资料以及 AI 的结果，仅供参考）。

输出经过隔直电容，到达三极管放大部分，这是一个共射极电压放大电路 ：

信号流向：
MEMS_OUT（输入）→ R1 → 基极 → 发射极 → 地。
集电极电流变化 → R2 上压降变化 → PA12 电压变化。

实际工程里面，电阻值用多大是，只能根据器件手册和工程经验来估算（根据 Rc 、Re 、 VCC、三极管 β ，估算一个静态电流，确定 R1，然后定下增益），然后接受一定的误差范围，这对麦克风应用完全够用。如果追求精确增益，要直接换上面运放标准电路。

这里先上一下示波器测试的输出效果：

上图的无声时候的静态电压大概在 0.59V 左右，如果有说话的时候，可以看到明显的交流信号波动。

在这里我们就以实际的测量结果，来计算一下这个电路的放大倍数 ：

1、根据无声时候的 Vout （0.59V 左右）算集电极电流 Ic ：

Ic =( Vcc -Vout ) / R2 = (1.05V−0.59V) / 10K = 46uA

2、算发射结交流小信号电阻 re

re = 26mv / Ie ≈ 26mv / Ic = 26mv / 46uA ≈ 565Ω
.
解释一下几个东西：
re 是什么东西：
re 为发射结交流小信号电阻，它是三极管发射结（BE结）对交流信号的阻碍程度 。
BE 结就像一个非线性电阻，直流偏置不同时，它对交流信号的"阻力"也不同。电流越小，re越大。
它等于热电压除以工作电流。
.
26mV 是什么东西？
26mV 就是常温下（25~27°C）的热电压，是一个物理常数，它来自半导体物理的热电压公式。

3、计算电压放大倍数

共射极电路的电压增益公式：

Av = - Rc / (re   Re) = - 10K /(565Ω   100Ω) ≈ -15

按照目前情况来看，这个放大倍数为 15 ，这个电路不太适合精确调整放大倍数，改任何电阻都会牵一发而动全身，只是可以朝着这个方向去改，比如减小R1 ， 增大 R2， R3并联电阻（这些不要同时进行，不方便验证），实际效果需要实际测试，有兴趣的小伙伴自行研究。

PS： 再次声明，这个电路的分析结果，仅供参考，有错误请指正 。

结语

本文说明了一下语音采集电路的基本原理，分析了两种语音采样电路，在实际的应用中，大家根据自己的需求选择合适自己的电路，希望文章对大家有所帮助 。

好了，本文就到这里。谢谢大家！