【音频分析仪】音频分析仪使用教程

【音频剖析仪】音频剖析仪使用教程AbstractThesystembasedonmicroprocessorusesFPGAtocarryoutFFTalgorithminordertoanalysetheaudiosignal.Itcontainsasignalconditioningmodule,AD637detectormodule,A/DsamplingmoduleandtheFFTalgorithmprocessingmodule.Thesignalconditioningconsistsofprogram-controlledamplifierandlow-passfiltertoachievesignalpreprocessing.Thesystemuses20-bitfixed-point4096-pointFFTcalculation,totheaccuratemeasurementofthefrequencyrange10-10kHz,theamplituderangeof100mVpp~10Vpptheinputsignalpowerandtotalpower,frequencyresolutionupto10Hz,andanalysisofsignaldistortiondegrees,todeterminetheperiodicsignal,andmeasureitscycle.Inaddition,thesystemalsohasastorageplaybackanddisplayfeaturessuchasmeasurementresults.一、系统方案论证与比较1.方案比较与选择(1)整体方案比较与选择系统核心在于对信号进行频谱剖析，从而实现功率谱、失真度等参数丈量。方案一：扫频外差法。将输入信号和扫频本振产生的信号混频，使变频后信号不停移入窄带滤波器，从而逐一选出被测频谱重量。这类方法的长处是扫频范围大，但对硬件电路要求较高，分辨率不高，难以知足题目要求。方案二：多通道数字滤波器并行剖析法。输入信号经由A/D采样以后，并行输入给多个带通数字滤波器，以选出各个频次重量。该方法遇到数字器件资源的限制，难以设置足够多的数字滤波器，从而没法实现高分辨率和高扫描宽度。方案三：FFT剖析法。在有限时间T内对信号进行采样，作FFT运算将时域信号变成频域信号，以获取频次和功率等信息。该方法硬件电路简单，实现方便，但受ADC速度的限制，丈量范围有限。考虑到此题只需求丈量20Hz~10kHz音频信号的频次成分，能够实现此方案。考虑到方案三硬件电路简单，简单实现，靠谱性高，且知足题目要求，故综合考虑选择方案三。(2)放大器方案比较与选择方案一：使用模拟开关或继电器配合运放实现。经过模拟开关或继电器切换不一样反应电阻来调理放大倍数。该方法长处是动向范围大，但它由分立元件构成，电路复杂，温漂大。方案二：采纳压控放大器实现，由DAC输出可变电压控制放大器。一方面，因为DAC有量化偏差，放大倍数不可以正确控制。另一方面，因为控制电压易受外界扰乱，难以保持稳固。此外，其性价比不高。方案三：采纳DAC配合运放实现。将DAC内部可变的电阻网络作为运放的反应电阻，实现增益可调。该方法精度高，电路简单靠谱，性价比高。考虑到性价比以及此题目对精度的要求，选择方案三。2.整体方案描绘系统框图如图1-1所示。输入信号经过程控放大器调整到ADC的输入范围，经过抗混叠低通滤波器后，信号分为两路。一路由AD637进行有效值检测，其模拟量输出经A/D变换为数字量，由FPGA送往MSP430进行总功率的计算；另一路由ADC进行同步采样，送往FPGA中做FFT运算，将运算结果送到MSP430单片机，进行功率谱、失真度等各项指标的计算，并将办理结果及时显示出来。图1-1系统原理框图二、理论剖析与计算1.A/D量化噪声剖析QLSB,变换电压范围为Umin~Umax,系统输入2信号为Ui。则可假设A/D引入的量化偏差是零均值、在-Q/2和Q/2之间随机均匀散布的，量化噪声的均方值为：设A/D位数为N，其量化偏差为1Q/22Q2(1-1)edeQ/2Q122e量化后噪声的均匀功率为：UmaxUmin2)(1-2)2N1因为系统噪声致使的相对功率丈量偏差为：PNe2(EPN(1-3)Ui21设计中，我们采纳12位的A/D,其量化偏差为LSB,变换电压范围-5V+5V，前级2调治电路将输入信号调治到0.875V~5V。依据这些已知参数及式(1-1)、式(1-2)，代入式(1-3)，得：E6.49107~8.14105知足题目对精度的要求。2.放大器设计系统采纳12位DAC与低噪声运放实现程控放大。由DAC内部的反应电阻R作为运放的输入电阻，而由DAC内部数字量控制的倒型电阻网络作为运放的反应电阻。则放大器增益为：4096G=code此中，code为12位DAC对应的数字量输入。不一样幅度的输入信号对应的放大倍数和code如表2-1所示。表2-1放大器电路参数设计依据以上剖析，放大器的增益带宽积应大于125101031.25106Hz1.25MHz。依据设计要求，放大器输出信号最大频次为10kHz、最大幅值为5V，故要求该放大器的压摆率大于2fA210453.14105V/s0.314V/s。3.功率谱计算原理：FPGA经过A/D采样获取N个时域点序列{x(n)},进行FFT变换后获取N个频域点序列{X(K)}，单片机读取前N/2个频域点进行计算办理（因为FFT后N个点的数据是对称的，因此计算时只使用N/2个点），获取功率信息。单片机计算办理过程以下：1由帕赛瓦尔定理x(n)Nn02N1K0x(K)，可获取所有信号的总功率为：2211N121Px(n)2Nn0N2x(K)N2K02N1N/21K0x(K)22x(K)N2因为以上是假设负载为1时获取的，故实质结果应在本来的基础上除以负载则第K条频次谱线对应的功率为PK。4.失真度的剖析和计算失真度定义为信号中所有谐波重量的能量与基波能量之比，即信号的总功率P和基波的频次P1后，可方便地求出。5.周期性判断方法周期函数的自有关函数也是同频的周期函数，利用这一特色，可实现信号的周期性判断。x(n)表示x(n)自有关函数()x(n)x(n)，此中L表示序列{x(n)}的长度，n0L-1在获取经过值。依据(出现第一个波谷

)

个抽样周期后的采样值，当=0时，()取最大(0)()，挨次求出(1)、(2)，直至(m)，同时(m)小到必定程度，则以为{x(n)}是周期为m的周期序列。三、电路与程序设计1.前级放大电路设计信号输入后经过两个高精度100的电阻并联，实现输入阻抗的要求。经过电压跟从器后进入程控放大电路。依据放大器的理论剖析，程控放大器的运放采纳TI企业生产的OPA627，其噪声极低，压摆率为40V/us，带宽为16MHz，知足设计要求。D/A采纳TI企业生产的12位串行*****，基准电压为15V，知足设计中的电压范围要求。实质电路如图3-1所示。图3-12.其余电路抗混叠低通滤波器：信号在进入A/D采样以前，需进行抗混叠低通滤波，防备信号中的高频重量超出fs/2(fs为A/D采样频次)，致使欠采样，惹起频次混叠。设计中采纳截止频次为15kHz的四阶巴特沃斯有源低通滤波器。实质电路图见附图1。有效值检测电路：为计算信号总功率，采纳芯片AD637进行真有效值检测。电路图见附图2。整型触发电路：输入信号经整型触发电路产生同步触发信号，与A/D配合实现信号的同步采样。为减小输出信号的边沿颤动，输入信号先经过一级放大电路，再经过一级施密特电压比较器和两级施密特触发器。电路图见附图3。ADC电路：采纳12位的MAX197实现。MAX197采纳单电源+5V供电，但可经过软件编程选择不一样的量程输入，其可选量程有10V、5V、0~10V、0~5V。本设计中ADC有两路输入，一路是对输入信号进行采样，另一路将AD637的模拟量输出转变成数字量。前者采纳5V量程，后者采纳0~5V量程以提升分辨率。电路图见附图4。3.程序设计本系统软件部分由FPGA和单片机构成。FPGA达成高速的办理（信号的收集和储存）以及FFT的计算。单片机则对FFT结果进行处理，达成功率谱、失真度的计算、周期性判断以及用户按键办理、LED显示等功能。程序流程如图3-2所示。图2-2程序流程图四、测试方案与测试结果使用的仪器及型号数字示波器Tektronix*****RIGOLDG1011信号源*****C254直流稳压电源2测试方法与数据(1)输入电压范围及总功率丈量测试方法：输入频次为1kHz，峰峰值为20mV~9V的正弦波，表4-1记录了系统测试结果。表4-1输入电压范围测试数据表格压范围和功率丈量偏差的设计要求。(2)输入频次范围及总功率丈量测试方法：输入峰峰值为2V，频次范围为0.1kHz~10kHz的正弦信号，表4-2记录了系统测试结果。表4-2输入频次范围测试数据表格率范围和功率丈量偏差的设计要求。(3)检测输入信号总功率与各频次重量功率之和测试方法：输入频次为100Hz~10kHz，峰峰值为2V的正弦信号，分别在分辨率20Hz和100Hz时，测