麦克风丨关于数字 MEMS 麦克风,你了解多少?

http://www.audio.hc360.com2019年08月06日18:03 来源:慧聪音响灯光网T|T

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     慧聪音响灯光网报道,数字 MEMS(MicroElectroMechanical System 微型机电系统)麦克风在各类消费设备,机动车辆和工业应用中广泛使用。一支 MEMS 麦克风的声学传感器和数模转换器集成在一块硅片上。只占用 PCB(印刷电路板)上很小的空间,让麦克风可以和信号处理器直接相连。

  

  六支 MEMS 麦克风组成的阵列

  由于语音识别类应用的高速增长,数字 MEMS 麦克风通常以阵列的形式出现。为了确保完美无瑕的运行,麦克风的技术指标,以及更重要的,阵列中所有麦克风相互协同的性能都必须严格测试。

  数字 MEMS 麦克风特性

  主流 MEMS 麦克风输出 1/2 周期的 PDM(脉冲密度调制)数字信号。麦克风需要一个时钟输入(CLK),并通过 DATA 接口输出数据。此外,两支麦克风共用一条数据线。因此,它们分别配置为“左(L)”或“右(R)”麦克风。只需将 L/R 输入接 Vdd 或地即可实现。MEMS 麦克风供电大多为 1.8 V 或 3.3 V。

  实际运行时,“左”麦克风会在时钟信号的每个上升沿写下一个字节,“右”麦克风则在下降沿。当一支麦克风写数据时,另一支麦克风会将数据输出端置于高阻抗模式。在接收信号的信号处理器中(DSP),左右两个信号再被一起灌入两个信号流中。

  

  两支数字 MEMS 麦克风工作示意

  如果两支麦克风中的一支没有安装或丢失了呢?

  

  只有一支 MEMS 麦克风正常工作示意

  示例中,右麦克风丢失,因此只剩左麦克风在写入数据。在信号下降沿,左麦克风将其数据端口置于高阻抗状态。数据链仍保持之前的状态,这样,对于数据接收端的 DSP 来说,右麦克风传来的信号和左麦克风完全相同。两条数据流是一样的!测试系统必须能识别这一问题,测试电路板上的 MEMS 麦克风阵列时,检测麦克风丢失是基本的。

  控制数字 MEMS 麦克风的时钟频率从几百 kHz 到 3 MHz 不等。频率越低,功率越小,音质也更差。

  为了确保数字信号的完整,数字 MEMS 麦克风和音频测试系统间的距离越短越好。这类麦克风不适合连接过长且电容过高的缆线。

  测什么?

  要测试数字 MEMS 麦克风的声学参数,数字信号需要接入音频分析仪,或转换为其它格式,比如模拟信号。品质控制测试中涉及的参数和其它大多数麦克风基本一致,如灵敏度,频率响应,失真,信噪比(SNR)等。实验室环境下完整的测试内容有 EIN(等效输入噪声),PSR(电源抑制),PSRR(电源抑制比)和动态范围等。此外,还可以通过转台测试麦克风在不同频率下的指向性。

  

  麦克风极性图

  对于所有的测量(单位不是 % 或 dB),数字 MEMS 麦克风测量结果的单位不同于模拟麦克风。比如模拟麦克风的灵敏度单位是 mV/Pa 或 dBV/Pa,而数字麦克风的单位则为 dBFs,它表示“满刻度分贝”,描述的是 94 dBSPL(1 Pa)到被测麦克风最大数字输出间的余量。这个最大输出也是 AOP(声学过载点)。

  

  声学 vs. 数字 vs. 模拟

  测试单支 MEMS 麦克风的情况其实非常少见。多数情况下,测试的都是集成在电路板上的多支 MEMS 麦克风。要确定该电路板的性能,必须弄清所有 MEMS 麦克风之间的相对性能。一个典型的参数是“灵敏度跨度”,也就是 MEMS 麦克风中最大灵敏度和最小灵敏度的差值。

责任编辑:刘朝宗

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