基于USB的音頻信號分析儀設(shè)計

摘要：為了對鐵路信號進行分析，系統(tǒng)采用一種基于USB接口的虛擬信號分析儀實現(xiàn)方法。以FPGA為主控芯片，采用高速A／D轉(zhuǎn)換器進行音頻信號采集，USB接口傳輸，LabVIEW平臺實現(xiàn)信號分析。具有開發(fā)成本低，便于重構(gòu)的優(yōu)點。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)功能正常，性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：音頻分析；虛擬儀器；FPGA；USB

0 引言
音頻分析儀是一種利用頻譜分析原理，以數(shù)字信號處理為分析手段，提取信號在時域、頻域內(nèi)一系列特性的過程，是對音頻信號進行頻率、頻譜及波形分析的一種測量工具，應(yīng)用于電聲測量、音頻制作、信號分析乃至振動測試等領(lǐng)域。
早期的音頻測量一般是利用頻率計、示波器及頻譜儀等組合成一套測試系統(tǒng)。這種測試系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)多，各環(huán)節(jié)之間接口匹配較為困難，使用起來比較麻煩，測量結(jié)果往往也不精確。目前雖然大部分的音頻分析儀已向集成化方向發(fā)展，但仍以硬件電路實現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的音頻分析，有著自身無法克服的缺點。為此，本文提出了一種利用虛擬儀器技術(shù)來實現(xiàn)音頻分析的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
本設(shè)計采用FPGA為系統(tǒng)的主控制芯片，完成音頻信號采集，數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，并在虛擬儀器軟件的基礎(chǔ)上確定了一種方便可行的音頻分析儀的設(shè)計方法。

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。音頻信號經(jīng)過前置放大器進行放大后進入A／D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，存入FIFO緩存區(qū)，數(shù)據(jù)在FPGA主芯片中進行編排控制，經(jīng)過USB接口傳送給計算機，最后由LabVIEW來完成音頻信號的處理并顯示結(jié)果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件電路的核心芯片選用Altera公司CycloneⅢ系列FPGA EP3C25，該器件密度為18萬門，最高工作頻率高達300 MHz，完全可滿足高速數(shù)據(jù)采樣速率時序要求。
2．1 前置放大電路設(shè)計
前置放大電路用于將信號放大到A／D轉(zhuǎn)換器要求的電壓范圍。為保證放大電路的性能指標，采用AD公司的高頻寬帶運放AD811為核心進行設(shè)計，如圖2所示。AD811 3 dB帶寬高達140 MHz，并且具有2 500 V／μs的速度，差分增益誤差小于0．01％，0．01°差分相位，電流噪聲為1．9 nV。

前置放大電路的VIN為信號輸入口，U3和U4設(shè)計為反相和同相放大電路，以構(gòu)成單端輸入至差分平衡輸入轉(zhuǎn)換電路，以滿足A／D轉(zhuǎn)換器對信號形式的要求。
2．2 高速A／D轉(zhuǎn)換電路
A／D轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的雙通道高速A／D轉(zhuǎn)換器ADS2807。ADS2807集成了高帶寬跟蹤保持電路，即使在高達或超出奈斯奎特速率的情況下，同樣具有優(yōu)秀的噪聲性能。該跟蹤保持電路和ADC電路的差動特性不僅能夠最大程度地減小偶階諧波，而且可提供優(yōu)秀的共模噪聲抑制性能。ADS2807的信噪比為65 dB，無雜散信號動態(tài)范圍為70 dB。高速A／D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。