Gravadores digitais para pequenos intervalos de tempo (16 a 20 segundos) podem ser utilizados numa infinidade de aplicações práticas interessantes, incluindo produtos comerciais lucrativos. Dentre essas aplicações incluímos brinquedos, sistemas de resposta automática, equipamentos automotivos “que falam”, aparelhos para mensagens publicitárias e muito mais. Os circuitos integrados da série ISD1400, que focalizamos neste artigo são extremamente simples de usar pois não precisam de computador para gravação e podem ser gravados e apagados a qualquer momento. (2003)
Obs.: Outros gravadores digitais podem ser encontrado no site, inclusive usando circuitos da série ISD.
Aparelhos eletrônicos “que falam” ou que necessitam de recursos de gravação de sons podem ser elaborados de maneira muito mais simples se tiverem recursos digitais para essa finalidade. De fato, com a gravação digital, além de não necessitarmos de dispositivos mecânicos responsáveis por um aumento do custo e do tamanho do equipamento, teremos um projeto muito mais simples.
A ISD possui uma linha enorme de circuitos integrados destinados à gravação de voz capazes de registrar sons em intervalos que vão de alguns segundos à diversos minutos, dependendo do tipo e da memória disponível. (*)
(*) Na época em que este artigo foi para o site a ISD não mais existira , havendo outra empresa que passou a comercializar os seus chips. Digite o nome do chip no Google para obter mais informações sobre o componente usado.
Os dois componentes que escolhemos para este artigo podem registrar sons por intervalos de 16 a 20 segundos, e são alimentados por uma simples bateria de 9 V. Como vantagem adicional temos que eles podem ser gravados pela entrada direta do microfone e fornecem seu sinal diretamente para um pequeno amplificador com alto-falante.
A possibilidade de se gravar mensagens curtas com facilidade abre uma gama interessante de produtos comerciais para este circuito como:
• Brinquedos que repetem o que a criança diz ou ainda repetem mensagens.
• Aparelhos que ao serem acionados por um sensor emitem uma mensagem comercial para serem usados em lojas, mercados, etc.
• Equipamentos “inteligentes” que avisam o usuário de uma condição importante. Exemplos: no carro, em prédios, etc.
• Dispositivos de gravação curta de mensagens como, por exemplo, o número de um telefone numa situação de emergência.
Analisemos o princípio de funcionamento dos dispositivos digitais de gravação e playback da série ISD4000.
Os Circuitos Integrados ISD1400
Os circuitos integrados da série ISD1400 consistem em gravadores digitais e circuitos de reprodução num único chip para mensagens de curta duração.
Na figura 1 temos o diagrama de blocos desse chip que inclui um oscilador, pré-amplificador para microfone, controle automático de ganho, circuito anti-falseamento e amplificador para o alto-falante.
Na configuração mínima ele pode usar um microfone, alto-falante e poucos componentes passivos externos, além da fonte de alimentação.
A versão ISD1416 grava até 16 segundos de mensagem enquanto que a versão ISD1420 grava até 20 segundos. A taxa de amostragem do ISD1416 é de 8 kHz enquanto que a taxa de amostragem do ISD1420 é de 6,4 kHz o que d;a uma banda passante para o primeiro de 3,3 kHz e para o segundo de 2,6 kHz.
Dentre as características que se destacam para estes Cis temos:
• Alta qualidade de reprodução para a voz
• Interface com push-buttons
• Modo power-down automático (a corrente de standby é de apenas 0,5 uA)
• A mensagem é retida mesmo sem alimentação
• O tempo de retenção típico da mensagem é de 100 anos
• 100 000 ciclos de gravação (tip)
• Disponível em invólucros DIP e SOIC
Na figura 2 temos um protótipo montado com a versão DIP do CI e componentes SMD numa pequena placa de circuito impresso.
O circuito completo dessa versão é mostrado na figura 3.
Na figura 4 temos a pinagem para o componente que é fornecido em invólucros DIP/SOIC de 28 pinos.
Vamos fazer uma análise de seu princípio de funcionamento com a descrição das principais funções.
Funcionamento
O som amostrado pelo circuito e armazenado no circuito na forma analógica numa taxa de amostragem de 6,4 ou 8 kHz numa memória não volátil. Veja que o armazenamento na forma analógica é uma solução diferenciada em relação a componentes equivalentes. Com o armazenamento analógico é possível obter uma reprodução muito mais real da voz, música, tons e efeitos de som o que não ocorre com as soluções que fazem o armazenamento digital.
O armazenamento é feito numa EEPROM o que elimina a necessidade de uma fonte para manter a informação. O tempo de armazenamento típico desse tipo de memória é de 100 anos, e ela pode ser gravada e desgravada mais de 100 000 vezes.
Na configuração básica os dispositivos são controlados por um sinal de gravação REC e para a reprodução por um sinal PLAYL. Utilizando uma as linhas de endereçamento é possível fazer com que mais de uma mensagem seja gravada e ela seja selecionada por códigos.
No final da reprodução ou de um ciclo de gravação, os dispositivos da série ISD1400 automaticamente voltam a uma condição de standby passando a consumir uma corrente muito baixa, da ordem de 0,5 uA. Durante o ciclo de playback o circuito passa a essa condição no final da reprodução.
O endereçamento da gravação (opcional) permite a divisão do espaço de gravação em até 160 segmentos endereçáveis.
Para minimizar ruídos, os chips ISD1400 usam pinos de alimentação separado para o barramento de sinais e alimentação. Esses pinos são interligados, de forma que as trilhas fiquem as mais próximas possíveis obtendo-se com isso o desacoplamento ideal.
As entradas de terra analógicas e digitais também são separadas, mas interligadas de modo a se obter o desacoplamento.
A entrada REC é ativada quando colocada no nível baixo. Este sinal deve permanecer nesse nível enquanto durar o processo de gravação. A função REC tem precedência em relação a função PLAYL. Se essa entrada for colocada no nível baixo durante a reprodução, a reprodução é interrompida e o processo de gravação tem início. A gravação termina quando REC vai ao nível alto ou quando o espaço de memória disponível é preenchido. No final de uma mensagem uma marca (EOM) é gravada internamente para que uma reprodução posterior saiba onde a gravação termina.
A reprodução pode ser feita de duas forma: Edge Activated (PlayE) ou Level Activated (PlayL).
No primeiro caso. quando uma transição para o nível baixo é detectada o ciclo de reprodução tem início. A reprodução continua até que um sinal EOM é encontrado ou então que se chega até o final da memória. Terminada a reprodução o dispositivo entra automaticamente na condição de power down passando ao standby com baixo consumo.
No modo PlayL, a reprodução vai ocorrer somente enquanto a saída estiver no nível baixo. Voltando ao nível alto, ela é interrompida.
A saída RECLED se mantém no nível baixo no ciclo de gravação, possibilitando seu uso para acionar um LED indicador.
Para o microfone, temos um pré-amplificador com controle automático de ganho (AGC). O ganho desse amplificador varia de –15 a 24 dB. O acoplamento do capacitor feito através de capacitor, cujo valor determina o corte inferior de freqüência. O ganho do circuito de AGC é determinado pelo resistor e capacitor ligados a esse pino. seus valores podem ser tipicamente de 470 k ohms e 4,7 uF.
A entrada MIC REF é uma entrada inversora para o pré-amplificador do microfone. Através dela é possível fazer o cancelamento de ruído.
A finalidade do pino ANA OUT é fornecer uma saída analógica a partir do pré-amplificador interno. Por outro lado, o pino ANA IN, é uma entrada analógica que transfere o sinal para gravação.
No pino XCLK pode-se ter a frequência do clock interno para efeito de controle.
As saídas para o alto-falante externo, a partir do amplificador de 12,2 mW interno em carga de 16 ohms é obtida nos pinos SP+ e SP-. Quando as duas saídas são ligadas ao alto-falante não se necessita de capacitor adicional, mas no caso de uma delas apenas ser usada, é preciso agregar um capacitor.
As entradas de endereçamento A0 a A7 têm funções que dependem dos dois dígitos mais significativos do endereço (MSB).
Se os dois bits forem 0 (baixo), as entradas são todas interpretadas como bits de endereçamento e são usadas para indicar o ponto em que a gravação ou reprodução ocorre. Os pinos de endereçamento são apenas de entrada e não trazem informações sobre o que ocorre no interior do chip.
MODOS OPERACIONAIS
Basicamente são 4 os modos de operação dos chips da série ISD1400:
A0 – Mensagens Seguidas
Nessa modalidade o usuário pode saltar entre mensagens sem saber os endereços de cada uma. Cada pulso LOW faz com que ele salte para a mensagens seguinte. Esse modo é usado apenas na reprodução.
A1 – Deleta Marcadores EOM
Nesse modo operacional, as mensagens são gravadas sequenciamente e depois combinadas numa única mensagem com apenas um marcador EOM no final. Depois que as mensagens são gravadas, elas são reproduzidas de uma vez, como uma única mensagem.
A2 – Loop de Mensagem
Nessa modalidade de operação a mensagem se repete indefinidamente até que o pulsador PLAYL seja acionado interrompendo o ciclo de repetição.
A3 – Endereçamento Consecutivo
Na operação normal, o ponteiro de endereço resseta quando a mensagem encontra um marcador EOM. Nesse modo operacional temos a inibição desse reset, possibilitando a gravação de mensagens consecutivas até encher a memória. Da mesma forma, as mensagens são reproduzidas consecutivamente.
Para que o leitor tenha uma idéia final da operação do chips tanto na gravação como na reprodução damos as suas formas de onda típicas nos dois processos.
Na figura 5 temos as formas de onda no ciclo de gravação.
Na figura 6 temos a forma de onda no ciclo de reprodução.
Algumas características elétricas:
Faixa de tensões de operação: 4,5 a 5,5 V
Impedância de saída (fte): 16 ohms
resistência de entrada do pré-amplificador (min): 4 k ohms
Freqüência de amostragem: 8 kHz (ISD1416) e 6,4 kHz (ISD1420)
Tempo máximo de gravação: 16 s (ISD1416), 20 s (ISD1420)
Potência de saída de áudio: 12,2 mW
Tensão de entrada do microfone (max): 20 mV
