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发表于 2019-7-31
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数字 MEMS 麦克风
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" ]' G0 q2 S5 V/ G4 d) a! {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。- U6 E8 f$ _. U" G/ X5 i4 I0 }
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+ F6 d& B P# P) D! D+ `: W; f六支 MEMS 麦克风组成的阵列: ?0 T( _1 D# Z& Q
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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，麦克风的绝对技术指标，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。* D; s% w: ]- g3 b) ]8 E) S
7 D9 D2 O7 ]) X9 z5 [ 数字 MEMS 麦克风特性 9 @7 s/ a8 Q0 V
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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。' g3 z% H( F$ z9 S6 q
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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。
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两支数字 MEMS 麦克风工作示意
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! h3 q1 D1 X0 I如果两支麦克风中的一支没有安装或丢失了呢？$ L$ d" Q$ v3 @8 T0 ]+ T
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只有一支 MEMS 麦克风正常工作示意 c! J8 Q( S- A+ k
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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，检测麦克风丢失是最基本的。
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: ^- N1 o2 @# M+ N# G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。
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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。
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测什么？
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" l% s& v0 d, m1 g! k4 t8 ^- `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。2 ]+ x) D5 P2 u* X% n$ V* s2 {
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* `4 W. O* m0 N/ z$ I0 y麦克风极性图" w$ L2 c; k7 s5 v. _3 \! z
% \, U) A5 A- a8 X# P对于所有的绝对测量（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）。
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声学 vs. 数字 vs. 模拟6 X7 P5 b# J \, S: }
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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。
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