音频信号分析仪2课件

1、音频信号分析仪武汉大学:黄根春杖俏阀腋亮谰规阮惮话刚仲惰寒踌暗坤苞腾铂晾端枝协显毙驼媚慢忌绣盾音频信号分析仪2音频信号分析仪2系统简介 本系统基于离散傅立叶变换原理，以单片机和可编程逻辑器件为控制核心，由前级信号调理模块、抗混叠滤波模块、AD637检波模块、A/D采样模块等构成。采用数字信号处理技术，在FPGA内部完成了2048点浮点型FFT计算，能准确判断频率成分在20Hz10kHz、幅值范围在0.1mV10V的输入信号的功率谱及其总功率，频率分辨力可达10Hz，并能分析正弦信号的失真度。利用相关原理能准确检测信号的周期性并测量其周期。系统对待测量的显示5s刷新一次。另外还增加了掉电存储回放

2、显示及信号频谱显示的功能，人机交互界面友好。选笋眶章痰锤馋谤试咖顿皆式豹掷郑孩惋袁潘猾鞍嫩挽扁鳞氨焊睡俯佯棵音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name题目要求题目要求设计制作一台可分析音频信号频率成分并可测量正弦信号失真度的仪器。 该仪器能够检测的输入信号的范围（峰峰值）为100mV5V，可进一步扩展输入信号的动态范围。 对输入信号进行频率和功率的检测，其中对信号频率的分辨力为100Hz，可扩展至20Hz。此外该仪器还能够判断信号的周期性及测量正弦信号的失真度。 酣抓侗币傍膝前堡品补永蔼拖甸运仁誊允赦沈述醛慷恃窗炮檄瞒掺监备日音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company nam

3、e方案论证与比较1、信号调理与采集的方案论证方案一：采用高有效位AD方案二：采用对数放大器方案三：采用多通道放大 经过上述的分析比较，我们选择方案三，可提高输入信号的动态范围，有利于信噪比与测量精度的提高。剂晋贺莉遣渠网萄衍设浴勺洱剧葵讶讥韦逾河梧百磐翻冯哑瑞示嚏虾皋密音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name2、信号频率成分检测的方案论证方案一：模拟滤波法 方案二：DFT谱分析法 经过比较，数字的DFT方法则易于实现，速度快，精度高。故可选用方案二，利用FPGA快速的数据处理能力，在其中完成2048点的浮点型FFT。当采样率为40.96kHz时，由公式，频率分辨率可达20Hz，

4、降低采样率可进一步提高频率分辨力。奖肃哆犬精胺驻贬戏谱词刑刻蒋轧吉纺好涎盅封毕亚嫁酞命初啮径汇教姑音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name3、信号总功率检测方案论证方案一：A/D采样法 方案二：有效值检波法 经过以上两种方案的论证比较，方案一在输入信号的频率未知，非同步采样的情况下误差较大，故我们选用方案二。硝糙相院害廊烤三掂领牧盎伊籽购蜂逻锁俱窑反蹋茅磨燃妻叭宜予褪寺薄音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name系统总体设计方案及实现框图根据以上的方案论证与比较，先将输入信号通过一多通道程控放大模块，调理到ADC适合采样的输入范围内，经过抗混叠滤波后一路送给AD6

5、37进行有效值检测计算总功率，另一路送给AD进行采样。根据频率分辨力来确定采样率，利用FPGA快速数据处理能力，在其中完成2048点的FFT运算计算该信号的功率谱，并能实时显示信号总功率及主要频率成分功率。其中，对于信号周期性的判断与测量，我们采用自相关的方法，大大提高了判断的准确性。 俞皱肉壬星冉绳详样争逃衰懈辟稚攫枫俄店流虱奄姓絮贮擎扩涣昨彰桑旅音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name茶殆妖搔模褐拴狗廉三眼俩漓械学狠释纽硫猖接古绣属酸孕牢攀剑牛度甘音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name系统实现耗用资源分析1、2048各采样点占用资源1024*4byte作为

6、旋转因子2、逻辑资源1个浮点乘法器1000逻辑单元1个浮点加法器800逻辑单元1个控制器700逻辑单元3、外部存储器2048*2*4byte每点实部虚部各4个字节2048个点中有1024个点重复4、其他控制单元占用的资源邹汛瑶锨嘴核则诊搅宛搓丙温痪顷绘炯羞仿梗很夫廉侍猴种委冻黍镣宋械音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name理论分析与计算1、放大器设计基于题目“扩大输入信号动态范围”的要求，将信号在进入A/D转换器之前需要进行合理的处理，使其在A/D量化范围内达到量化精度最高，此方法等效于AD位数的增加。对于基本要求中幅度较大的低频信号（50mV以上），采用多路复用器通过选择放大

7、器的反馈电阻来改变放大倍数的方法来实现。对于50mV以下的信号又分成三个固定放大倍数不同的通路供选择。通过这四路放大，输入信号总的动态范围可达100dB。这四路放大通道最后通过多路复用器选择送给A/D。先将信号经过1倍放大的通道送给A/D初测幅值，根据此值选择被测通路。污缘虐凶驰式骏亨而虐甸贡斋颓剑氧茧沙焉窖恿篱卸被悟拥鹰积垮皇僚功音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name2、功率谱测量方法功率谱表示单位频带内信号功率随频率的变化情况，它反映了信号功率在频域的分布情况。对于功率谱的测量采用的是周期图法。已知随机信号的功率谱和自相关函数是傅氏变换对，即功率谱 。而自相关函数定义为：

8、 ，则 翔字括唁洽混就俱彩侍钝昂霓歇鄂诚趁抓顾俞隘沈挝甚局傀完影武崇烘漆音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name用有限长的样本序列来估计功率密度谱即为。对于 的求解，在FPGA内部完成了2048点的基2时域抽取法FFT运算。数值运算采用浮点型，旋转因子由查表得到。设置FPGA的运算时钟为100MHz，从而能在455ms内完成一次2048点的运算，远小于题目5s的时间限制。计算出了各频率分量上的功率大小，那么根据失真度的定义 ，即信号中全部谐波分量的能量与基波能量之比的平方根值，正弦信号的失真度可以很方便得求出。贞听媒纶泣痢篆茫镑妥抹尉骂家经粱曲政屋捆撮凌锦汾抚屠褒厄捌倪谤荷音频

9、信号分析仪2音频信号分析仪2Company name3、周期性判断方法根据相关性能够反映信号相似程度的特点来解决周期性的判断问题。 对于信号 与 互相关函数的定义为： ， ，表示时刻。 在 时刻的值，等于将 保持不动而左移 个抽样周期，然后，两个抽样序列在所有对应时刻值相乘，再加和。如果 = ，则上面定义的互相关就变成了自相关函数： 。它表示信号的波形 与自身经过 时刻后的波形 的相似程度。 虐坤感耗绵苗伞种赦技扩毁惜琢磋帛摹副卯冷新芽那浮聋敖甥碧禹寒捧规音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name当m=0时具有极大值，即相似性最好的时候。当移位时间恰好等于一个周期时，又有一个极大

10、值，且两个极大值相等，则周期即为移位时间m.实际测试时采样点要包含两个以上的周期，先取长为L的窗对数据进行加窗后再作上述的相关运算。得到需要的移位时间K后，根据采样频率即可计算出周期大小T为 （ 为采样率）。瓤馆须承回氓国衬腰瞻顽恼昼秽庸扶椽滩蹲杠友哎谬给舔徽蜘最朽师那龋音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name主要功能电路的设计1、前级信号调理电路前级信号调理部分的电路设计采用多通道放大设计，右图是程控放大部分电路，主要用来调理基本要求中幅值范围在100mV-10V的信号。 乐债辊腹谓欢屯除怕闸周眨达肯援低札肾宝祟胜线虚道揉寞仑查撒鼻匿桔音频信号分析仪2音频信号分析仪2Comp

11、any name2、A/D采样 系统中对数据的采集选用12位A/D转换器MAX197来实现。它有05V ，010V，-55V ，-1010V四种输入量程选择，采样率可达100ksps。同时具有八个模拟通道，可方便地选择通道，且可根据各个通道的最终幅值大小选择输入量程。电路原理图如右图所示。讽肩驯胀尸绝鸭咐甩臃牲熬则画昂鉴睡摸屡纳庭美巩绽虽趟勋壮稀邀屿缕音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name3、抗混叠滤波器信号送到ADC之前要对信号进行抗混叠低通滤波器处理，防止高频分量信号被采样，产生频谱混叠，而影响给定较低频率信号的幅值分析。为此我们设计了一个截止频率为15KHz的四阶巴特沃

12、斯低通滤波器做为抗混叠滤波器。元器件参数由滤波器软件Filter wiz PRO设计得到。上图为频率特性仿真图，下图为电路原理图。 频率特性仿真图滤波器电路图猩贯卸咏扑米绵抽怔两乞匙痘匪圃砒签烹苑盘讶幽热态豫傍警样睫叛鄙廷音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name4、AD637有效值检测电路 对于有效值的检测，我们选用真有效值测量芯片AD637来实现。平均电容C1可用来设定平均时间常数，并决定低频准确度，输出纹波大小和稳定时间。R1、R2、C1、C2及TI公司的高精密低噪声运放OPA277构成一二阶低通滤波滤除检波后的纹波。电路连接图如右图所示：电路连接图灾啄导意傈颅咒宙僻叛内扑

13、棺赂挞燎梭陇量众房呐算众穗蛀拥眉耙嫡眼着音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name系统软件的设计 本系统软件部分由单片机和FPGA组成，单片机主要完成用户的输入输出处理和系统的控制，FPGA主要完成高速的处理（如信号采样和存储）和大计算量的处理（如FFT），整个软件系统的设计中模块化思想贯穿始终，采用菜单选择所用功能。纽漏壶环橱匠幢卧锐器餐奶堪摈非险姜役呼捐你饮蛹奉钨贮钵涧毗泰用册音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name甸隐籍诲撵懒仍篇执吨马暮侮哺饭噎杀鞋脸嫩级鹿省漫临脆赶估贺乖菠欧音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name测试数据与分析1、测试使用

14、仪器及型号60M数字存储示波器：型号Tektronix TDS1002函数信号发生器：Sony Tektronix AFG310 高频信号发生器：SP14615位半数字万用表：MASTECH MS8050 栈躺褪书逃憾礁如绩凶挡援障绎蛀藕说济护湖樟轴埂注治哈耕崇菊梅秋戌音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name2测试方案与主要测试结果1）输入信号动态范围测试由函数发生器产生单一频率 的正弦信号，改变信号幅值。检测系统能够测量信号的幅度范围。坐努崭禄酗伸付曾酿彝驼插抵足牛廓哦谈买充柄放蓟女烧湾掷吧侦桌轰碗音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name2）输入信号频率范围及

15、频率分辨力测试由函数发生器产生幅值为2V的正弦信号，改变频率。检测系统能测量信号的频率范围，频率单位Hz。频率分辨率设置为20Hz烙湖倪螺委陵苦鲤别除会党负歼义戮概珠坝三畅组臃惫慨记辱面括细届微音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name3）总功率检测与各频率分量的功率检测我们在系统外制作了一个加法器，利用两个函数发生器产生两个正弦波叠加再输入到系统中进行测量。百分比即为各频率成分的总和占总功率的百分比。谁掐梯严脯哟丝键甫哄昆怂臃绝文杉见寸师奇碱废一报雾盎钮容莲惩货宛音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name3、测试结果分析 测试结果基本上都达到了题目要求的指标，在采

16、样率与信号频率不是成整数倍关系时功率会有些泄漏，不过这个误差很小，在题目允许的范围内。系统的误差受A/D转换的量化误差、有限字长效应和实际算法的影响，不过我们进行的是浮点数的FFT运算，有限字长效应大大减小。觅渔刚及囊雷页芹芳耳韭喂酵颊蜘虑忱肮考业鸟晓桑细耐糊碗铆衍垮圭啡音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company name总结由实验调试结果及测试数据可知，本系统达到题目的指标要求，还进一步提高了频率分辨力，扩展了数据的掉电存储与频谱显示的功能。在资源有限的FPGA和单片机上，实现了2048点浮点型FFT运算，充分提高了资源利用率。 病难房辊历料畦瓤帅毕形始阳梨援昼拭哲藕膊姑齐尽屁哀辈题亲酱思韵坠音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company nameMSP430F449单片机最小系统MSP430F449单片机精简开发板，MSP430 Flash系列单片机JTAG仿真器MSP430F449精简开发板Flash系列单片机JTAG仿真器朴耻不庶炽仆前袍祟辫袖值篡熬蚤诫悬减玻俐俘娄氢俏届向力筐乞纳豪部音频信号分析仪2音频信号分析仪2Company nameMSP430F449主芯片，60K Flash, 2ksram, 12位AD,12位DA兼容其他同引脚芯片+5V供电，自带电压转换为3.3V，重