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              近年來，以電池作為電源的電子產品得到廣泛使用，設計師迫切要求采用低電壓的模擬電路來降低功耗。低功耗的模擬電路設計技術正成為研究的熱點。從節約能源角度考慮，低的功率消耗不僅是電池驅動的便攜設備的需求，即便對使用市電的大型系統也是迫切需要，它不但可以延長設備的使用時間，也可以延緩設備的老化。運算放大器作為集成電路中最基本的單元，其重要性是眾所周知的。在低壓運算放大器中，由于電源電壓的降低，信號的動態范圍減小，噪聲信號幅度相對增大，放大器的信噪比降低。為了解決這些設計問題，帝奧微電子公司專門開發了幾款低功耗低噪聲運放來滿足這個市場需求。

         不管是手持式除顫儀還是動態血糖監視儀，設計這類產品都不是一件容易的事。選擇適當的元件滿足設計規范要求、盡可能降低成本、確保設計方案的功率、特別關注產品的實際大小等等，都是在產品設計過程中必須考慮的問題。同樣隨著國人安防安全意識的提高，煙霧探測設備進入千家萬戶，對低功耗(電池壽命長)靈敏度和可靠性高的消防產品設計提出了更高的要求。

不論是溫度、脈搏、血糖讀取或其它生物傳感器，實施適當的信號放大調理鏈路都是最重要的問題。在模擬前端電路中，運算放大器是最關鍵的單元，在這種電路中，一般選擇低噪聲，高精度，低功耗，低偏置電流的運算放大器。信號鏈的第一階一般使用高共模抑制比，低偏置電流(特別對紅外管傳感器)，低噪聲的運放;第二級會選用低功耗，高精度，低噪聲的運算放大器。信號鏈下一階是良好的delta-sigma或逐次逼近模數轉換器(ADC)。單周期濾波器設置及隨需轉換等特性簡化了ADC的設計要求，也提高了轉換速度，并提供了較大的源阻抗。利用適當的布局及元件選擇，可將一個干凈、精確而有意義的信號輸入到系統微處理器/DSP中。

煙霧傳感器構成的報警器，能及時報告火警。在煙霧傳感器中，安裝著一種對煙霧氣特別敏感的半導體材料，如氧化錫、氧化鋅等，因而亦稱它們為氣敏材料。在有煙霧氣的環境中，當煙霧氣的濃度達到一定量值時，氣敏材料內部的電阻值就會迅速下降。一旦煙霧氣消失，它們的電阻值又會恢復正常。另外一種煙霧檢測的方法是，利用紅外光線被煙霧遮擋而造成紅外接收測電流變化而報警的原理。

1、 機載電臺話音采集裝置

某型飛機超短波電臺由AD7764BRUZ控制器、收發機、功率附加器、射頻轉換器及通信天線構成。該電臺的話音采集裝置主要包括麥克風和控制器，其中控制器通過座椅連接器與飛行帽上的耳機及話筒相連。在控制器上，設有靜噪開關，對噪音有一定的抑制。但此裝置只是通過話音激活檢測（VAD）對無話音時的信號進行大幅度衰減，降低強烈噪聲在無聲段時對飛行員的影響。而在有通話進行時則無法降噪。此方法處理的結果是：在采集語音的同時伴隨有強烈的發動機、按鈕開關等噪聲，大大降低了通信語音的質量。飛行員長時間處于強噪聲環境中，也易出現身心疲憊、精力分散等現象，影響飛行的安全。在一些借助數字信號處理技術改善通信質量的方案［1］中，由于需要較為大量的改動，如增加A/D和D/A電路，以及面臨供電問題，所以在飛機座艙內難以實現。本文擬通過NS公司新推出的雙輸入麥克風陣列模擬放大器，提高采集語音的信噪比，改善機載超短波電臺的通信質量，同時對座艙環境改變較少，不影響飛機正常任務的完成。

2 、改進型噪聲抑制話音采集方案

圖1是本方案的總體設計圖。該方案在原有控制器基礎上增加了語音增強的能，構成增強控制器。控制器內增強部分電路設計如圖2所示，其中，LMV1090是核心芯片。話音的采集使用兩個并列放置的麥克風，其間保持2 cm左右的間距，對現有話音采集設備的影響不大。根據LMV1090系列芯片的特點，要求采集語音的麥克風距離飛行員頭部不超過4 cm，兩個麥克風與聲音位置源最好保持在同一條直線上，確保近場語音的保留。同時，麥克風距離座艙內最大的噪聲源需超過50 cm，削弱遠場噪聲。由于飛機內最大的噪聲源來自發動機，因此，該要求一般可以滿足。



控制器中關于增強采集語音信號的電路設計如圖2所示，Mic1和Mic2為兩個并列麥克風，J1為輸出的近場語音信號接口。電路的核心為模擬雙輸入麥克風陣列放大器LMV1090，其控制接口通過其內置的I2C總線與AT89C51單片機相連。

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2.1 LMV1090芯片介紹

LMV1090芯片是美國國家半導體（NS）公司新推出的一款雙輸入麥克風陣列放大器。該芯片采用美國國家半導體的遠場噪聲抑制技術，完全采用模擬處理可以減少輸出頻率失真及其他音頻假信號，令傳送的聲音更自然、更真實。相比采用子頻帶頻率處理抑制噪聲的算法，該模擬處理技術不僅噪聲低、音效好，而且功耗極低（僅0.5 mA），僅為數字信號處理器或微處理器搭配軟件的音頻系統的5%，對供電的要求大大降低。

另外，該放大器芯片非常易用，由于其完全采用模擬處理，減少了A/D及D/A轉換的環節，系統設計工程師無需修改原有設計便可迅速將這種噪聲抑制功能內置到現有設備中，基本不需要額外花費時間為處理器編寫和測試語音處理程序的代碼。該芯片采用25焊球的microSMD封裝，尺寸為2 mm×2 mm×0.6 mm，兩個麥克風之間也只需保持在15 mm～25 mm的直線距離，相比傳統的麥克風陣列增強器，要求更低，更易實現。

2.2 單片機控制

LMV1090內置有麥克風前置放大器和后置放大器。兩個放大器的增益可根據具體應用進行調整，調整方法是通過芯片內置的I2C總線由控制器完成。本方案使用8051單片機進行設置，如圖3所示，使用P0口的兩個IO腳分別作為時鐘信號和數據信號。

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在串行通信中，AT89C51作為主機，LMV1090只能作為從機，被寫入關于放大器增益配置的數據。在向從機寄存器寫數據時必須遵守I2C通信協議中對時序的嚴格規定，如在SCL為高時，SDA從高到低變化表示啟動通信，在SCL為高時SDA從低到高變化表示停止通信。圖4即是在寫入前置放大器增益值時所用的時序。

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在上述時序圖中，在SCL為高時，SDA出現下降沿，表示啟動一次數據通信；在SCL的時鐘控制下，SDA傳出8位數據，高位在前，低位在后，該數據表示從機寄存器A，即LMV1090芯片內置放大器增益寄存器的地址11001110，地址發送結束后需要一個從機應答，即從機在第8個時鐘脈沖后將SDA拉到低電平，表示接收第一個字節成功。之后，主機再次發送8位數據，表示該寄存器內應寫入的實際值，這里的數據為11110000，即將前置放大器增益設置為36 dB，后置放大器增益設置為6 dB［3］。接收該字節后，從機給出應答，表示接收成功。經歷兩次寫入操作后，該寄存器的寫入任務完成，可以結束I2C通信，結束的方法是在SCL為高電平時，向SDA送上升沿信號。

2.3 其他問題

由于戰斗機座艙環境的特殊性，對設備的體積、重量和耗電量都有非常嚴格的要求，在使用中還需注意以下問題。

（1）安裝位置

得益于LMV1090極小的體積（2 mm×2 mm×0.6 mm），圍繞其設計的增強采集電路也可以大大縮小體積。經過對控制器的精簡，基本可以將該部分電路放置在控制器內。

（2）供電

LMV1090的耗電量僅有0.5 mA，整個增強采集部分的耗電量經過優化也不會超過2 mA。因此，完全可以借用控制器部分的電源對其進行供電。

（3）放大器增益調節按鈕

LMV1090的兩個內置放大器的增益可以由單片機通過I2C進行控制，可將其控制的按鈕引到面板。設計時需注意放大器的增益設計要合理，根據麥克風自身的最大輸出，以及芯片后級對輸入電壓的要求，設置一個合適的調節范圍在面板上供手動調整。

以某型戰斗機所用電臺為例，其話音采集的麥克風最大輸出為10 mV，經過LMV1090處理后，再送到控制器內的處理芯片，該芯片要求LMV1090的最大輸出不能超過3.3 V。據此可選擇的增益范圍應按如下方法確定。

首先確定后級放大器的增益，一般使其保持最低值6 dB，以使前級放大器處于較大值，可提高采集時的信噪比。當后級放大器增益為6 dB時，前放的輸出則應為： 3.3 V-6 dB=1.65 V

由于麥克風的最大輸出為10 mV，因此，可確定的最大增益為：20log（1.65 V/10 mV）=44 dB。

因為LMV1090前放增益的實際可調范圍為6 dB～36 dB，所以可設置其為最大值36 dB，后放的增益在可調范圍6 dB～18 dB內設置最小值6 dB。

依據上述方案設計的噪聲抑制話音采集裝置在某機載超短波電臺上進行了試用，在試用過程中考慮了以下事項［4］：（1）麥克風陣列的相對位置對實際噪聲抑制的效果影響較大，要求兩個麥克風并列排列，與采集話音源成一條直線。當不滿足此條件時，話音損失較大。（2）遠程噪聲衰減較大，當噪聲源距離麥克風超過50 cm時，通話的背景噪聲水平有明顯的降低。（3）麥克風前置放大器的增益不能設置過大，否則可能會有較大的削峰現象，一般可采用比理論最大值低5 dB左右的增益。

另外在測試過程中，保持遠場噪聲源距離麥克風陣列在50 cm之外，話音源在麥克風陣列線上且相距不超過5 cm，測量的信號送至語音質量客觀評估系統，在噪聲抑制模式使用前后各采集測試10次，平均噪聲抑制效果可達18 dB。

光電方式又分前向散射與后向散射探測方式，AD624AD傳感器安裝在光學迷宮里，沒有煙霧時傳感器接收不到或只接收到很微弱的光信號，經過放大器放大，邏輯判斷電路不做報警處理，有煙霧進入迷宮時，光線照射到煙霧粒子上產生散射，傳感器接收到比較強的光信號，經放大后，邏輯報警電路發出警報信號。在這些應用中，運算放大器是其中的關鍵器件，要求超低功耗，低偏置電流，低噪聲。