Микрофоны для микроконтроллера: аналоговые и цифровые MEMS, PDM и I²S

Децибелы, чувствительность и шум

Звуковое давление выражают в децибелах относительно порога слышимости; опорный уровень для микрофонов — 94 дБ SPL, давление 1 Па. Входной уровень в дБ SPL всегда среднеквадратичный (Understanding Microphone Sensitivity). Пересчёт децибелов в разы удобно делать в калькуляторе децибел.

Аналоговый микрофон. Чувствительность — выходное напряжение при 1 Па, в логарифмической форме:

Например, у ADMP504 из примера InvenSense −38 дБВ — это 10^−38/20 ≈ 12,6 мВ ср. кв. при 94 дБ SPL (наш расчёт). Усиление перед АЦП подбирают так, чтобы пиковый выход микрофона на максимальном уровне совпал с полной шкалой АЦП: в том же примере 0,25 В микрофона на АЦП с полной шкалой 1,0 В требуют усиления 4, то есть 12 дБ.

Цифровой микрофон. Чувствительность — уровень выхода в дБFS при 94 дБ SPL. Полную шкалу цифрового слова сопоставляют максимальному уровню, который микрофон пропускает, поэтому

где AOP (acoustic overload point) — уровень перегрузки. При AOP = 120 дБ SPL получается −26 дБFS; поднять чувствительность, не понизив перегрузку, нельзя. Цифровые уровни — пиковые: 0 дБFS — синус, пики которого касаются полной шкалы, а прямоугольник полной шкалы имеет среднеквадратичный уровень +3 дБFS (ICS-43434, Digital Microphone Sensitivity). −26 дБFS — это пики 0,05 от полной шкалы.

Расхождение в трактовке. White paper InvenSense 2013 года (Understanding Microphone Sensitivity) пишет, что синус 94 дБ SPL при чувствительности −26 дБFS даёт пик −26 дБFS и среднеквадратичный уровень −29 дБFS — там среднеквадратичное значение отнесено к полной шкале как к пиковой величине. Даташит ICS-43434 называет «−29 дБFS ср. кв.» распространённым заблуждением: если 0 дБFS — это синус полной шкалы, то и среднеквадратичный уровень синуса с пиками 0,05 FS равен −26 дБFS. Числа не противоречат друг другу, но опорные уровни разные; формулы ниже построены по определению даташита.

Шум и динамический диапазон. SNR — разница между 94 дБ SPL и собственным шумом микрофона; эквивалентный входной шум EIN = 94 дБ − SNR. У ICS-43434 SNR 65 дБА, EIN 29 дБА SPL, а динамический диапазон от шума до перегрузки — 120 − 29 = 91 дБ. SNR и AOP выражены в акустических единицах, поэтому по ним можно сравнивать аналоговые, PDM- и I²S-микрофоны между собой.

Аналоговые MEMS-микрофоны

Аналоговый микрофон проще всего по выводам (обычно три) и меньше по размеру, но требует аккуратной аналоговой части (Design Considerations):

• Выходное сопротивление — несколько сотен ом. Нагрузка с малым входным сопротивлением ослабляет сигнал: вход 2 кОм после выхода 200 Ом — почти на 10 %.
• Смещение по постоянному току. Выход сидит где-то между нулём и питанием, чтобы громкие пики не обрезались, поэтому микрофон подключают через разделительный конденсатор. Он с входным сопротивлением следующего каскада образует фильтр высоких частот: 1 мкФ и 10 кОм дают 16 Гц — ниже собственного спада типичного микрофона на 100 Гц.
• Усилитель. Сигнал в десятки милливольт усиливают до шкалы АЦП, например неинвертирующим каскадом на ОУ со смещением в середину питания.

Для микроконтроллера аналоговый путь означает ещё и АЦП с выборкой не меньше удвоенной верхней частоты звука и аналоговый фильтр перед ним — а линия от микрофона до АЦП ловит наводки от радиомодулей.

PDM и I²S: цифровые MEMS-микрофоны

Цифровой микрофон переносит АЦП внутрь корпуса, и по плате идёт уже цифровой сигнал. InvenSense выделяет главное достоинство: цифровые линии меньше страдают от радиопомех Wi-Fi, Bluetooth и сотовой связи, поэтому микрофон можно ставить далеко от процессора. На длинных линиях полезны последовательные согласующие резисторы 20–100 Ом.

PDM — самый распространённый цифровой интерфейс микрофонов: два микрофона делят одну линию такта и одну линию данных, каждый выдаёт бит на своём фронте, поэтому каналы синхронны. Но однобитный поток нужно отфильтровать и проредить до частоты звука, и это работа процессора или кодека. I²S-микрофон содержит ту же цифровую часть, что и PDM, плюс децимационный фильтр и последовательный порт, и подключается к интерфейсу I²S микроконтроллера напрямую.

I²S-микрофон ICS-43434

ICS-43434 — микрофон TDK InvenSense с нижним звуковым портом в корпусе 3,50 × 2,65 × 0,98 мм. Режим он выбирает сам по частоте такта слова (WS), то есть по частоте выборки:

Общие параметры: питание 1,65–3,63 В, ниже fS = 3,125 кГц — сон с током 12 мкА, частотная характеристика 60 Гц – 20 кГц, встроенный фильтр высоких частот на 24 Гц убирает постоянную составляющую. Полоса децимационного фильтра — 0,417 · fS (20 кГц при 48 кГц) с неравномерностью ±0,3 дБ, групповая задержка — 2/fS. Допуск чувствительности ±1 дБ позволяет собирать решётки из нескольких микрофонов без калибровки каждого.

Выводы: 1 — WS, 2 — LR, 3 — GND, 4 — SCK, 5 — VDD, 6 — SD.

• LR выбирает канал: низкий уровень — левый (данные после спада WS), высокий — правый (после фронта WS). Для стерео два микрофона ставят на одну линию SD, у одного LR на общий провод, у другого — на питание. Оба делают выборку одновременно, в начале кадра по спаду WS.
• SD в промежутках между своими словами переходит в Z-состояние, и линию разряжает резистор 100 кОм на общий провод; если нужно быстрее — 10 кОм. Выход рассчитан на нагрузку до 85 пФ, вход каждого отключённого микрофона на линии добавляет около 6 пФ.
• WS внутри подтянут к общему проводу резистором 100 кОм: если держать WS в единице в режиме ожидания, через него течёт VDD/100 кОм.
• Питание развязывают керамическим конденсатором 0,1 мкФ X7R у самых выводов VDD и GND, дорожки — короткие, на одном слое, без переходных отверстий.

Кадр. Формат — стандартный I²S: 24 бита в дополнительном коде, старшим битом вперёд, старший бит задержан на один такт SCK от начала полукадра. На кадр (левый плюс правый канал) нужно ровно 64 такта SCK:

Период SCK по даташиту — от 303 до 2500 нс, то есть 0,4–3,3 МГц: при 64 тактах на кадр это и даёт частоты выборки до 51,6 кГц. В интерфейсе I²S микроконтроллера ставят 32-битный слот на канал и забирают из него старшие 24 бита.

Запуск, сон и ожидание. Ниже 3,125 кГц микрофон засыпает за 1 мс и переводит SD в Z-состояние. Проснувшись, он начинает выдавать данные через 32 768 тактов SCK — 10,7 мс при 3,072 МГц, а на уровень в пределах 1 дБ от установившегося выходит не дольше чем за 20 мс. Если частота SCK падает ниже примерно 200 кГц, микрофон уходит в режим ожидания; TDK советует для этого остановить SCK и WS и притянуть их к нулю. Подавать такты на обесточенный микрофон нельзя: постоянно открытые защитные диоды снижают его надёжность.

Уровень звука по отсчётам

Для ICS-43434 из чувствительности −26 дБFS при 94 дБ SPL следует простой пересчёт (наш вывод из определения чувствительности):

где U_ср.кв — среднеквадратичное значение 24-битных отсчётов за окно. Множитель √2 нужен потому, что 0 дБFS — синус с амплитудой полной шкалы, у которого среднеквадратичное значение в √2 раз меньше амплитуды. Пример: среднеквадратичное значение 297 000 даёт √2 · 297 000 / 8 388 608 ≈ 0,050 → −26 дБFS → 94 дБ SPL.

// Sound level from ICS-43434 samples (24-bit two's complement in the top bits of a 32-bit slot)
#include <math.h>

float ics43434_db_spl(const int32_t *slot, int n) {
    double sum = 0.0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        int32_t s = slot[i] >> 8;              // keep the 24 data bits, arithmetic shift
        sum += (double)s * (double)s;
    }
    double rms = sqrt(sum / n);
    if (rms < 1.0) rms = 1.0;                  // avoid log of zero
    double dbfs = 20.0 * log10(sqrt(2.0) * rms / 8388608.0);   // 0 dBFS = full-scale sine
    return (float)(dbfs + 120.0);              // -26 dBFS at 94 dB SPL
}

Это невзвешенный уровень в полосе микрофона. Шумомер показывает уровень с частотной коррекцией (обычно A) и с нормированным временем усреднения, а погрешность чувствительности ±1 дБ и неравномерность характеристики остаются — для измерений прибор калибруют по эталонному источнику звука.

Монтаж MEMS-микрофона с нижним портом

• Отверстие в плате под звуковым портом делают больше самого порта, не меньше 0,5 мм в диаметре, и не наносят на него паяльную пасту.
• Пайка — оплавлением, не превышая профиль из даташита (пик 260 °C для бессвинцового припоя).
• Отмывка. Вода не должна попадать в порт; продувка и ультразвуковая отмывка запрещены. Нельзя продувать порт и откачивать из него воздух, в том числе вакуумным пинцетом снизу корпуса.
• Толщина и тип платы на работу не влияют; гибкую плату с микрофоном можно приклеить прямо к корпусу прибора — это хорошо уплотняет звуковой канал.

Типичные ошибки

• Неверный формат кадра. Интерфейс настроен на 16-битные слоты или формат с выравниванием влево — данные сдвинуты на бит или обрезаны. ICS-43434 нужен стандартный I²S и 64 такта на кадр.
• Читают не тот канал. LR на общем проводе — данные в левом канале; в правом микрофон линию не ведёт, и программа получает нули от подтяжки SD.
• Нет резистора на SD. Между словами микрофон отпускает линию, и без подтяжки 100 кОм на общий провод, которую требует TDK, её уровень ничем не задан.
• Частота выборки ниже 3,125 кГц. Микрофон спит и данных не выдаёт; самая низкая рабочая частота — 6,25 кГц, режим малого потребления.
• Забыт множитель √2. Если среднеквадратичное значение отсчётов делить на полную шкалу без умножения на √2, уровень в дБFS и дБ SPL выходит на 3 дБ ниже: опорный 0 дБFS по даташиту — синус с амплитудой полной шкалы, а не постоянный сигнал.
• Аналоговый микрофон напрямую на АЦП. Без усиления сигнал в десятки милливольт занимает несколько младших разрядов, а без разделительного конденсатора постоянное смещение съедает шкалу.

Другие датчики — в разделе «Датчики», о шине — в статье «I²S», о децибелах — в статье «Децибел».