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(lái)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(guò)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)嗟木壒剩瑢⒃斐深l譜泄漏和柵欄效應(yīng)而引入誤差,但可分別通過(guò)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(guò)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(lái)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
評(píng)論