CN102340722A - 数模混合麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数模混合麦克风，旨在提供一种能输出模拟和数字两种信号的麦克风。它包括声音传感器和输出端口，还包括模拟前置放大电路、数字前置放大电路，模拟前置放大电路和数字前置放大电路分别与声音传感器连接，输出端口分别连接模拟前置放大电路和数字前置放大电路，模拟前置放大电路和数字前置放大电路还分别与控制两种前置放大电路工作或者关闭的自动切换控制电路连接。自动切换控制电路可以判断所连接的主机是支持数字信号还是模拟信号，然后选用相应的前置放大电路将声音传感器接收到的声音信号进行放大输出给主机。本发明适用于所有的声音输出设备。

Description

数模混合麦克风

技术领域

本发明涉及一种声音录入设备，尤其是涉及一种能够根据主机类型自动选择输出信号为数字信号或者模拟信号的数模混合麦克风。

背景技术

早期的麦克风都是模拟麦克风，随着数字技术的飞速发展，以及数字传输的抗干扰优点，现在的麦克风有很大一部分采用了数字麦克风。但是模拟麦克风由于历史原因及成本优势等，在相当长的时间内将会与数字麦克风共存。接受麦克风信号的主机有支持模拟信号的和支持数字信号的两种，现有的麦克风都只能与相配的主机协同工作，这样降低了麦克风的适应性，带来一些不便。

中华人民共和国国家知识产权局于2005年07月20日公开了授权公告号为CN1643975A的专利文献，名称是一种数字麦克风，它具有：一个换能器，用于产生代表声信号的模拟信号；和大于1阶的单比特∑-Δ调制器模数变换器，按照过抽样速率并以∑-Δ调制比特流的形式从所述模拟信号中产生数据输出信号。此麦克风输出的信号为数字信号，无法输出模拟信号。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的只能输出模拟信号和数字信号中的一种的技术问题，提供一种可以根据主机类型不同输出模拟信号来与支持模拟信号的主机协同工作，也能输出数字信号来与支持数字信号的主机协同工作的数模混合麦克风。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种数模混合麦克风，包括声音传感器和输出端口，还包括模拟前置放大电路、数字前置放大电路，所述模拟前置放大电路连接声音传感器，所述数字前置放大电路连接所述声音传感器，所述输出端口分别连接所述模拟前置放大电路和所述数字前置放大电路，所述模拟前置放大电路和所述数字前置放大电路还分别与控制两种前置放大电路工作或者关闭的自动切换控制电路连接。声音传感器可以使用驻极体电容麦克风传感器或者微机电系统麦克风传感器。自动切换控制电路可以判断所连接的主机是支持数字信号还是模拟信号，然后选用相应的前置放大电路将声音传感器接收到的声音信号进行放大输出给主机。

作为优选，所述模拟前置放大电路包括运算放大器、第一NMOS管和电阻R，所述声音传感器一端接地，另一端和所述运算放大器的同相输入端连接，所述运算放大器的输出端与第一NOMS管的栅极连接，所述运算放大器的控制端与所述自动切换控制电路连接，所述第一NMOS管的漏极与输出端口连接，所述第一NMOS管的源极与所述运算放大器的反相输入端连接，所述电阻R一端接地，另一端和所述第一NMOS管的源极连接，所述运算放大器的偏置正极连接输出端口，所述运算放大器的偏置负极接地。模拟前置放大电路可以在自动切换控制电路的控制下将声音传感器的信号放大并输出到输出端口。实现这一部分功能的电路也可以是带运放及独立电源的电压型输出的放大电路等。

作为优选，所述数字前置放大电路包括模拟预放大器和Σ-Δ模数调制器，所述模拟预放大器的输入端连接所述运算放大器的同相输入端，所述模拟预放大器的输出端连接Σ-Δ模数调制器的输入端，所述Σ-Δ模数调制器的输出端连接自动切换控制电路，所述Σ-Δ模数调制器的时钟输入端与Clk端连接，所述Σ-Δ模数调制器的偏置正极连接Vdd，所述Σ-Δ模数调制器的偏置负极接地，所述模拟预放大器的偏置正极连接Vdd，所述模拟预放大器的偏置负极接地。Clk端为支持数字信号的主机所特有的信号输出端口。数字前置放大电路可以在自动切换控制电路的控制下将声音传感器的信号放大后进行模数转换并输出到输出端口。

作为优选，模拟前置放大电路包括模拟放大器和开关管，数字前置放大电路包括Σ-Δ模数调制器，模拟放大器的输入端连接所述声音传感器，所述模拟放大器的输出端通过开关管连接所述输出端口，所述模拟放大器的输出端还与Σ-Δ模数调制器的输入端连接，所述开关管的控制端与所述自动切换控制电路连接。当输出为模拟信号的时候，声音信号通过模拟放大器放大，开关管在自动切换控制电路的控制下打开，模拟信号输出到输出端口；当输出为数字信号的时候，开关管在自动切换控制电路的控制下关断，模拟放大器将声音信号放大以后发送给数字前置放大电路，数字前置放大电路将模拟信号转化为数字信号并输出。

作为优选，所述自动切换控制电路包括数据开关、电源自动切换电路和时钟检测器，所述电源自动切换电路分别与Vdd、数据开关、时钟检测器和输出端口连接，所述数据开关分别连接Σ-Δ模数调制器的输出端、时钟检测器和输出端口，所述时钟检测器分别连接所述运算放大器的控制端或者开关管的控制端，Σ-Δ模数调制器连接时钟检测器。自动切换控制电路用于判断主机类型并选用合适的前置放大电路。

作为优选，所述数据开关包括第二NMOS管、第一PMOS管和反相器，所述第二NMOS管的栅极连接所述反相器的输入端，所述第一PMOS管的栅极连接所述反相器的输出端，所述第二NMOS管的漏极和第一PMOS管的漏极连接，所述第二NMOS管的源极和第一PMOS管的源极连接，所述第二NMOS管的衬底和所述反相器的偏置负极都接地，所述第一PMOS管的衬底和所述反相器的偏置正极都连接电源自动切换电路，所述第二NMOS管的源极连接所述输出端口，所述第二NMOS管的漏极连接所述Σ-Δ模数调制器的输出端，所述反相器的输入端与时钟检测器连接。

作为优选，所述电源自动切换电路包括第二PMOS管和第三PMOS管，所述第二PMOS管的栅极连接所述第三PMOS管的漏极并与所述输出端口连接，所述第二PMOS管的漏极连接所述第三PMOS管的栅极并与Vdd连接，所述第二PMOS管的源极连接所述第三PMOS管的源极并与所述反相器的偏置正极连接，所述第二PMOS管和第三PMOS管的衬底都与各自的源极连接。

作为优选，所述时钟检测器包括一个振荡器，所述振荡器连接外部Clk信号，用于检测Clk信号的频率并输出相应的控制信号。

作为优选，模拟前置放大电路包括一个开关管和一个JFET管，所述开关管的控制端连接所述自动切换控制电路，所述JFET管的栅极连接声音传感器，所述JFET管的源极接地，所述JFET管的漏极连接输出端口，所述开关管串联在所述JFET管的源极或者漏极上。

当模拟前置放大器是电流型输出时，可以直接把电流输出端与麦克风数字前置放大器的数据输出端直接相连，省去自动切换控制电路，这样在牺牲一点电流及性能的情况下，使电路的连接达到最简单。

本发明带来的实质性效果是，可以自动辨识主机所支持的信号类型并选择相应的前置放大电路，放大声音传感器得到的信号并从输出端口输出。

附图说明

图1是本发明的一种电路图；

图2是本发明的数据开关电路的一种电路图；

图3是本发明的电源自动切换电路的一种电路图；

图中：1、声音传感器，2、运算放大器，3、第一NMOS管，5、模拟预放大器，6、Σ-Δ模数调制器，7、数据开关，8、电源自动切换电路，9、时钟检测器，10、第二PMOS管，11、第三PMOS管，12、第二NMOS管，13、第一PMOS管，14、反相器，15、输出端口。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例的一种数模混合麦克风，如图1所示，包括声音传感器1和输出端口15，还包括模拟前置放大电路、数字前置放大电路，模拟前置放大电路和数字前置放大电路分别与声音传感器连接，输出端口分别连接模拟前置放大电路和数字前置放大电路，模拟前置放大电路和数字前置放大电路还分别与控制两种前置放大电路工作或者关闭的自动切换控制电路连接。声音传感器为驻极体电容麦克风传感器。

模拟前置放大电路包括运算放大器2、第一NMOS管3和电阻R，声音传感器1一端接地，另一端和运算放大器2的同相输入端连接，运算放大器2的输出端与第一NOMS管3的栅极连接，运算放大器2的控制端与时钟检测器9的输出Powerup信号的端口连接，第一NMOS管3的漏极与输出端口15连接，第一NMOS管3的源极与运算放大器2的反相输入端连接，电阻R一端接地，另一端和第一NMOS管3的源极连接，运算放大器2的偏置正极连接输出端口15，运算放大器2的偏置负极接地。输出端口上的信号为Data/Out信号。当Powerup信号为高电平，运算放大器2的偏置电流关断，同时运算放大器2的输出拉到低电平，第一NMOS管3关断，电阻R也不工作，从输出端口看进来，这部分电路体现为高阻抗；当Powerup信号为低电平，运算放大器2的偏置电流开启，同时运算放大器2的输出释放，Data/Out信号为运算放大器2提供电源电压，第一NMOS管3被运算放大器2的输出偏置在合适的工作点，从声音传感器1来的电压信号进入运算放大器2的同向输入端，经运算放大器2、第一NMOS管3、电阻R反馈，运算放大器2的反向端的反馈电压跟随同向端输入电压，这样电流信号就在电阻R中产生，此电流信号被支持模拟麦克风的主机端电阻接收，然后进一步进行处理。

数字前置放大电路包括模拟预放大器5和Σ-Δ模数调制器6，模拟预放大器5的输入端连接运算放大器2的同相输入端，模拟预放大器5的输出端连接Σ-Δ模数调制器6的输入端，Σ-Δ模数调制器6的输出端连接自动切换控制电路，Σ-Δ模数调制器6的时钟输入端与Clk端连接，Σ-Δ模数调制器6的偏置正极连接Vdd，Σ-Δ模数调制器6的偏置负极接地，模拟预放大器5的偏置正极连接Vdd，模拟预放大器5的偏置负极接地。Clk端为支持数字信号的主机所特有的信号输出端口。当Clk端上没有预期频率范围的时钟信号，模拟预放大器5、Σ-Δ模数调制器6都被自动关断；当Clk端上有预期频率范围的时钟信号，同时Vdd上有电源电压，模拟预放大器5、Σ-Δ模数调制器6将自动开启，从声音传感器1来的电压信号进入模拟预放大器5的输入端，经过模拟预放大器5的预放大，放大后的电压信号进入Σ-Δ模数调制器6的输入端，此信号按照过采样率被Σ-Δ模数调制器6以Sigma-delta的形式调制成比特流，此比特流被支持数字麦克风的主机接收，然后进一步进行处理。

自动切换控制电路包括数据开关7、电源自动切换电路8和时钟检测器9，电源自动切换电路8与电源Vdd连接，电源自动切换电路8通过Vdd_Alt信号连接数据开关7和时钟检测器9，电源自动切换电路8和输出端口15连接，Σ-Δ模数调制器6的输出端通过SDMout信号连接数据开关7，数据开关7连接输出端口15，时钟检测器9通过Powerup信号连接运算放大器2的控制端和数据开关7，时钟检测器9连接Clk端。

如图2所示，数据开关7包括第二NMOS管12、第一PMOS管13和反相器14，第二NMOS管12的栅极连接反相器14的输入端，第一PMOS管13的栅极连接反相器14的输出端，第二NMOS管12的漏极和第一PMOS管13的漏极连接并连接SDMout信号，第二NMOS管12的源极和第一PMOS管13的源极连接并连接输出端口15，第二NMOS管12的衬底和反相器14的偏置负极都接地，第一PMOS管13的衬底和反相器14的偏置正极都连接Vdd_Alt信号，反相器14的输入端连接Powerup信号。当Powerup信号为高电平，第二NMOS管12、第一PMOS管13同时导通，SDMout信号与输出端口15通过第二NMOS管12、第一PMOS管13导通；当Powerup信号为低电平，第二NMOS管12、第一PMOS管13关断，SDMout信号与输出端口15相互隔离。

如图3所示，电源自动切换电路8包括第二PMOS管10和第三PMOS管11，第二PMOS管10的栅极连接第三PMOS管11的漏极并与输出端口15连接，第二PMOS管10的漏极连接第三PMOS管11的栅极并与Vdd连接，第二PMOS管10的源极连接第三PMOS管11的源极并输出Vdd_Alt信号，第二PMOS管10和第三PMOS管11的衬底都与各自的源极连接。

时钟检测器9包括一个振荡器，振荡器连接外部Clk端，用振荡器产生的内部时钟来数外部时钟Clk信号一个周期包含的内部时钟周期数，这样可以检测Clk信号的频率。

当数模混合麦克风连接在支持模拟麦克风的主机上时，支持电流型模拟麦克风的主机会产生一个麦克风偏置电压，然后通过2.2k欧姆电阻连接到数模混合麦克风的输出端口15，同时主机的地线与数模混合麦克风的地线Gnd相连，数模混合麦克风的Vdd端与Clk端不与主机相连接，会被内部电路拉到低电平。在这种情况下，支持模拟麦克风的主机与数模混合麦克风之间有且仅有两根线相连接。由电源自动切换电路8的功能可知，当Data/Out信号电平远高于Vdd电平，Data/Out信号通过电源自动切换电路8与Vdd_Alt导通，给数据开关7与时钟检测器9供电。时钟检测器9没有检测到Clk信号预期的频率，Powerup置低，数据开关7关断，SDMout信号与Data/Out之间断开，数据输出置成高阻；同时Powerup置低，运算放大器2、第一NMOS管3、电阻R组成的模拟前置放大电路被设置成工作状态，而模拟预放大器5、Σ-Δ模数调制器6组成的数字前置放大电路关断。因此，当模拟混合麦克风连接在支持模拟麦克风的主机上时，将自动切换到模拟前置放大电路工作模式。

当数模混合麦克风连接在支持数字麦克风的主机上时，外电路将会输入Vdd电源电压与Clk时钟信号，同时Data/Out信号与地线也与外电路相连。电源自动切换电路8检测到Vdd是最高电平，Vdd将经电源自动切换电路8与Vdd_Alt导通。时钟检测器9检测到预期时钟信号，Powerup信号置高电平，SDMout信号经数据开关7与输出端口15导通，同时模拟预放大器5、Σ-Δ模数调制器6会被高电平的Powerup信号开启，同时运算放大器2的偏置电流关闭，输出端拉到低电平，第一NMOS管3关断。因此，当数模混合麦克风连接到支持数字麦克风的主机上时，将自动切换到数字前置放大电路工作模式。

实施例2：本实施例所采用的模拟前置放大电路包括一个开关管和一个JFET管，开关管的控制端连接Powerup信号， JFET管的栅极连接声音传感器（1），JFET管的源极接地，漏极连接输出端口（15），开关管串联在JFET管的源极上，其余结构与实施例1相同。此方案放弃了对模拟信号的放大过程，而是直接进行输出。

实施例3：本实施例中，模拟前置放大电路包括模拟放大器和开关管，数字前置放大电路包括Σ-Δ模数调制器（6），模拟放大器的输入端连接声音传感器（1），模拟放大器的输出端通过开关管连接所述输出端口（15），模拟放大器的输出端还与Σ-Δ模数调制器（6）的输入端连接，开关管的控制端与Powerup信号连接。自动切换控制电路部分与实施例1相同。模拟放大器同时作为模拟前置放大电路和数字前置放大电路的放大器。开关管在自动切换控制电路的控制下导通或者关断，从而控制输出端口（15）是否有模拟信号输出。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了运算放大器、声音传感器、数据开关等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1. 一种数模混合麦克风，包括声音传感器（1）和输出端口（15），其特征在于，还包括模拟前置放大电路、数字前置放大电路，所述模拟前置放大电路连接声音传感器（1），所述数字前置放大电路连接所述声音传感器（1），所述输出端口分别连接所述模拟前置放大电路和所述数字前置放大电路，所述模拟前置放大电路和所述数字前置放大电路还分别与控制两种前置放大电路工作或者关闭的自动切换控制电路连接。

2.根据权利要求1所述的数模混合麦克风，其特征在于，所述模拟前置放大电路包括运算放大器（2）、第一NMOS管（3）和电阻R，所述声音传感器（1）一端接地，另一端和所述运算放大器（2）的同相输入端连接，所述运算放大器（2）的输出端与第一NOMS管（3）的栅极连接，所述运算放大器（2）的控制端与所述自动切换控制电路连接，所述第一NMOS管（3）的漏极与输出端口（15）连接，所述第一NMOS管（3）的源极与所述运算放大器（2）的反相输入端连接，所述电阻R一端接地，另一端和所述第一NMOS管（3）的源极连接，所述运算放大器（2）的偏置正极连接输出端口（15），所述运算放大器（2）的偏置负极接地。

3.根据权利要求1所述的数模混合麦克风，其特征在于，所述数字前置放大电路包括模拟预放大器（5）和Σ-Δ模数调制器（6），所述模拟预放大器（5）的输入端连接所述运算放大器（2）的同相输入端，所述模拟预放大器（5）的输出端连接Σ-Δ模数调制器（6）的输入端，所述Σ-Δ模数调制器（6）的输出端连接自动切换控制电路，所述Σ-Δ模数调制器（6）的时钟输入端与Clk端连接，所述Σ-Δ模数调制器（6）的偏置正极连接Vdd，所述Σ-Δ模数调制器（6）的偏置负极接地，所述模拟预放大器（5）的偏置正极连接Vdd，所述模拟预放大器（5）的偏置负极接地。

4.根据权利要求1所述的数模混合麦克风，其特征在于，所述模拟前置放大电路包括模拟放大器和开关管，所述数字前置放大电路包括Σ-Δ模数调制器（6），所述模拟放大器的输入端连接所述声音传感器（1），所述模拟放大器的输出端通过开关管连接所述输出端口（15），所述模拟放大器的输出端还与Σ-Δ模数调制器（6）的输入端连接，所述开关管的控制端与所述自动切换控制电路连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的数模混合麦克风，其特征在于，所述自动切换控制电路包括数据开关（7）、电源自动切换电路（8）和时钟检测器（9），所述电源自动切换电路（8）分别与Vdd、数据开关（7）、时钟检测器（9）和输出端口（15）连接，所述数据开关（7）分别连接Σ-Δ模数调制器（6）的输出端、时钟检测器（9）和输出端口（15），所述时钟检测器（9）分别连接所述模拟前置放大电路和Σ-Δ模数调制器（6）。

6.根据权利要求5所述的数模混合麦克风，其特征在于，所述数据开关（7）包括第二NMOS管（12）、第一PMOS管（13）和反相器（14），所述第二NMOS管（12）的栅极连接所述反相器（14）的输入端，所述第一PMOS管（13）的栅极连接所述反相器（14）的输出端，所述第二NMOS管（12）的漏极和第一PMOS管（13）的漏极连接，所述第二NMOS管（12）的源极和第一PMOS管（13）的源极连接，所述第二NMOS管（12）的衬底和所述反相器（14）的偏置负极都接地，所述第一PMOS管（13）的衬底和所述反相器（14）的偏置正极都连接电源自动切换电路（8），所述第二NMOS管（12）的源极连接所述输出端口（15），所述第二NMOS管（12）的漏极连接所述Σ-Δ模数调制器（6）的输出端，所述反相器（14）的输入端与时钟检测器（9）连接。

7.根据权利要求5所述的数模混合麦克风，其特征在于，所述电源自动切换电路（8）包括第二PMOS管（10）和第三PMOS管（11），所述第二PMOS管（10）的栅极连接所述第三PMOS管（11）的漏极并与所述输出端口（15）连接，所述第二PMOS管（10）的漏极连接所述第三PMOS管（11）的栅极并与Vdd连接，所述第二PMOS管（10）的源极连接所述第三PMOS管（11）的源极并与所述反相器（14）的偏置正极连接，所述第二PMOS管（10）和第三PMOS管（11）的衬底都与各自的源极连接。

8.根据权利要求5所述的数模混合麦克风，其特征在于，所述时钟检测器（9）包括一个振荡器，所述振荡器连接外部Clk信号，用于检测Clk信号的频率并输出相应的控制信号。

9.根据权利要求1所述的数模混合麦克风，其特征在于，所述模拟前置放大电路包括一个开关管和一个JFET管，所述开关管的控制端连接所述自动切换控制电路，所述JFET管的栅极连接声音传感器（1），所述JFET管的源极接地，所述JFET管的漏极连接输出端口，所述开关管串联在所述JFET管的源极或者漏极上。

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