音頻信號(hào)分析儀

引言

音頻信號(hào)分析儀利用頻譜分析原理來分析被測(cè)信號(hào)的頻率、頻譜及波形。常用的頻譜分析方法有：掃頻法、數(shù)字濾波法、FFT法。這里提出一種基于FFT方法的音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)方案，通過快速傅里葉變換(FFT)把被測(cè)的音頻信號(hào)由時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，將其分解成分立的頻率分量，在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行各種分析，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣效果。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可應(yīng)用于音頻制作、信號(hào)分析等領(lǐng)域，具有一定的科學(xué)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

2 方案論證

2．1 前級(jí)信號(hào)調(diào)理方案

考慮到盡量擴(kuò)大信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，又為了保證測(cè)量精度，盡量減小通道間干擾，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用多路多級(jí)放大器對(duì)信號(hào)放大不同的固定倍數(shù)，使信號(hào)達(dá)到A／D采樣精度范圍，在數(shù)據(jù)處理時(shí)再縮小相應(yīng)倍數(shù)，從而得到信號(hào)正確幅值。該方案通道間干擾小，但小信號(hào)放大硬件部分較復(fù)雜。

2．2 頻率分量檢測(cè)方案

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用頻域處理法。先對(duì)信號(hào)A／D采樣，再運(yùn)用FFT處理，可得信號(hào)頻譜，則可方便得到各頻率分量的幅值和功率等信息。但對(duì)于非周期信號(hào)，由于信號(hào)截?cái)嗟木壒�，將造成頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)而引入誤差，但可分別通過加窗或增加FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)減小誤差。該方案是基于單片機(jī)AT89S52和FPGA的快速數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，采用頻域處理法，精度高，速度快。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用單片機(jī)與FPGA相結(jié)合作為控制核心與數(shù)據(jù)處理核心。系統(tǒng)尤其要注意小信號(hào)處理，信號(hào)多路分級(jí)放大，調(diào)理到A／D轉(zhuǎn)換器適合采樣的輸入范圍內(nèi)，經(jīng)過抗混疊濾波后，一路送給AD637進(jìn)行有效值檢測(cè)計(jì)算總功率，另一路送給A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。根椐頻率分辨率來確定采樣率，基于FPGA快速數(shù)據(jù)處理能力，在其中進(jìn)行4 096點(diǎn)的FFT運(yùn)算得到信號(hào)的功率譜，并實(shí)時(shí)顯示信號(hào)總功率及主要頻率分量功率。該系統(tǒng)運(yùn)用相關(guān)原理判斷信號(hào)周期性并測(cè)量周期，具有掉電存儲(chǔ)回放顯示和信號(hào)頻譜顯示功能。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

3．1 前級(jí)放大電路

采用3路多級(jí)放大，在實(shí)際電路調(diào)試時(shí)該系統(tǒng)的放大電路能夠穩(wěn)定工作在增益為10 000的狀態(tài)下。因?yàn)椴捎玫腁／D采樣器件最小能在100 mV有很好的轉(zhuǎn)換效果，則該系統(tǒng)可測(cè)的最小信號(hào)峰一峰值大小為100 mV／10 000=10μV。最終該系統(tǒng)設(shè)定輸入信號(hào)電壓范圍為10μV～20 V，即126 dB的動(dòng)態(tài)范圍。

系統(tǒng)中放大器增益較大，尤其要注要小信號(hào)放大，因此運(yùn)放的選擇最為關(guān)鍵，否則會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能。如圖2所示，前級(jí)運(yùn)放采用TI公司的THS4031，其噪聲電壓密度為16 nV/Hz，帶寬為100 MHz，整體性能好，適合小信號(hào)高增益放大處理。后級(jí)運(yùn)放采用UA741CN，其為精密低噪聲運(yùn)放，帶寬為1 MHz，帶寬較小，可以進(jìn)一步濾除高頻分量。

3．2 A/D采樣電路

A／D采樣電路如圖3所示，系統(tǒng)選用12位A／D轉(zhuǎn)換器MAX197來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。它有0～5 V，0～10 V，-5～5 V，-lO～10 V 4種輸入量程，采樣率可達(dá)100 kS／s。同時(shí)具有8個(gè)模擬通道，可方便選擇通道，且可根據(jù)各個(gè)通道的最終幅值大小選擇輸入量程。

5 結(jié)束語

利用FFT實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)頻譜分析的功能，頻率覆蓋范圍為20 Hz～10 kHz，使用20．48 kHz的采樣頻率，F(xiàn)FT計(jì)算點(diǎn)數(shù)為4 096點(diǎn)，則頻率分辨率為5 Hz。該音頻信號(hào)分析儀成功實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，還具有掉電存儲(chǔ)回放顯示和頻譜顯示的功能，使系統(tǒng)更趨于智能化、人性化。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)和FPGA及簡(jiǎn)單硬件電路組成，控制簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)成本低，具有很高的科學(xué)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。