基于DSP音频信号分析仪的解剖

电科10112012511006刘玉泉基于DSP音频信号分析仪的解剖一.基于DSP音频信号分析仪的原理分析音频信号分析仪是对输入的音频信号进行功率测量和频谱分析。音频信号经过一个由运放和电阻组成的50Ohm阻抗匹配网络后，经由量程控制模块进行处理，若是一般的100mV-5V的电压，我们选择直通，也就是说信号没有衰减或者放大，但是若信号太小，12位的A/D转换器在2.5V参考电压的条件下的最小分辨力为1mV左右，所以如果选择直通的话其离散化处理的误差将会很大，所以若是采集到信号后发现其值太小，在20mV-250mV之间的话，我们可以将其认定为小信号，从而选择信号经过20倍增益的放大器后再进行A/D采样。经过12位A/D转换器ADS7819转换后的数字信号经由32位MCULPC2148进行FFT变换和处理，分析其频谱特性和各个频率点的功率值，然后将这些值进行显示。信号由32位MCU分析后判断其周期性，然后进行显示。二.基于DSP音频信号分析仪的原理图见附录1三.基于DSP音频信号分析仪的控制框图图2音频信号分析仪的控制框图四.基于DSP音频信号分析仪的模块分析4.1四阶低通滤波器电路567B84U?BLF353D2KR61KR8Res22KR51KR7Res20.1uFC322nFC52.2nFC122nFC62.2nFC20.1uFC412v-12v231A84ALF353Dsignin图3四阶滤波器原理图LF353芯片来完成低通滤波环节,要去除10KHZ以上的信号干扰，采用通带内线良好的4阶贝塞尔滤波器，最适于音频信号的滤波处理。能满足题目的要求，电路如图23所示4.2前级阻抗匹配和放大电路10KR3Res2100R1Res2100R2Res2526R812345678U?AD620AN12345678U?AD620AN5V-5V5v-5v+5v10KR4Res212JP2HEADER2S?SWDPDTAF图4阻抗匹配和放大电路图阻抗匹配指的是负载阻抗与电源内阻抗或与传输线波阻抗之间的特定配合关系，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份绝对值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。前级放大模块主要由跟随器AD620及一些电阻构成，AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。封装图图5AD620引脚其中1、8脚需跨接一电阻来调整放大倍率，4、7脚需提供正负相等的工作电压，由2、3脚接输入的放大的电压即可从6脚输出放大后的电压值。5脚则是参考基准，如果接地则第6脚的输出为输出与地之间的相对电压。AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。AD620具有高精度、低失调电压和低失调漂移特性。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合一些医疗应用。由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流。AD620在1kHz时具有9nV/Hz的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz频带内的噪声为0.28μV峰峰值，输入电流噪声为0.1pA/Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15μs，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。AD620由传统的三运算放大器发展而成,但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计,如电源范围宽(±2.3～±18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA),因而适用于低电压、低功耗的应用场合。图6AD620原理示意图AD620的单片结构和激光晶体调整,允许电路元件紧密匹配和跟踪,从而保证电路固有的高性能。AD620为三运放集成的仪表放大器结构,为保护增益控制的高精度,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入,并采用β工艺获得更低的输入偏置电流,通过输入级内部运放的反馈,保持输入三极管的集电极电流恒定,并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620的两个内部增益电阻为24.7kΩ,因而增益方程式为G=49.4kΩ/RG+1（2-1）对于所需的增益,则外部控制电阻值为RG=49.4/（G-1）kΩ(2-2)由式（2-1），（2-2）可知，通过控制外部控制电阻可以调节放大电路的不同放大倍数。信号输入后通过R5,R6两个100Ω的电阻和一个高精度仪表运放AD620实现跟随作用，由于理想运放的输入阻抗为无穷大，所以输入阻抗即为：R5//R6=50Ω。阻抗匹配后的音频信号从100mv~5v，要求对于一些小信号，首先需要经过前级放大才能避免误差和干扰，然后对信号的幅度进行调整，再对信号进行采集。通过继电器控制是对信号直接送给AD转换还是放大后再进行AD转换。4.3A/D转换及控制模块电路-5vIN1AGND12REF3CAP4AGND25D116D107D98D89D710D611D512D413DGND14V+28VD+27V-26BUSY25CS24R/C23DGND22VD+21V+20NC19D018D117D216D315U?ADS7819U+5v-5vCLOCKAF100pFC11100pFC822nFC922nFC10897101311126215161718*LCP2148100R11signin图7A/D转换及控制模块为了提高系统的精度，AD转换芯片我选用的是新型12位串行模数转换器ADS7819,它具有自动关断和快速唤醒功能,且内部集成有采样/保持电路;同时具有转换速率高、功耗低等优点,特别适合于由电池供电且对体积和精度有较高要求的智能仪器仪表产品。4.4系统电源电路T?CTX0.68-4AD?Bridge1C510nFC410nFC12200nFC22200nFC100.1nFC30.2nFC40.2nFC70.33nFC80.33nFVoutVmGnd*7905VoutVmGnd*7805VoutVmGnd*LM317VoutVmGnd*LM337D?1N751AD?1N751A200R4R3200C90.1nF2KR51KR61KR24.7KR14.7K+5v-5v图8±5v的系统电源系统T1IN13OUT2GNDU4MC7812KIN13OUT2GNDU7MC7812K0.33uFC71uFC90.33FC81uFC10D1GND+12V-12VD14D15图9±12v的系统电源电路直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。其中+5v,-5v两种电压由稳压芯片CW7805和CW7905产生，正负可调电压由LM317和LM337产生；+12v，-12v的正负电压由MC7812产生五.基于DSP音频信号分析仪的软件框图图10音频信号分析仪的软件框图附录1567B84U?BLF353D2KR21KR4Res22KR11KR3Res20.1uFC322nFC522nFC122nFC622nFC20.1uFC412v-12v231A842ALF353Dsignin100pFC1130pFC13100pFC7Cap100R6100R7100R10100R11Res2100R5Res2100R812345678U?AD620AN+5v-5v12345678U?AD620AN526R9+5v-5vS1SWDPDT100R21IN1AGND12REF3CAP4AGND25D116D107D98D89D710D611D512D413DGND14V+28VD+27V-26BUSY25CS24R/C23DGND22VD+21V+20NC19D018D117D216D315U?ADS7819U100pFC9100pFC10100pFC8+5v-5vAFCLOCK8143211ALM358D8143213ALM358D1100R12Res2+5V-5V100R1312JP2HEADER2100R14D-11D+10P0.0/TXD0/PWM119P0.1/RXD0/PWM3/EINT021P0.10/RTS1/CAP1.0/AD1.235P0.11/CTS1/CAP1.1/SCL137P0.12/DSR1/MAT1.0/AD1.338P0.13/DTR1/MAT1.1/AD1.439P0.14/DCD1/EINT1/SDA141P0.15/RI1/EINT2/AD1.545P0.16/EINT0/MAT0.2/CAP0.246P0.17/CAP1.2/SCK1/MAT1.247P0.18/CAP1.3/MISO1/MAT1.353P0.19/MAT1.2/MOSI1/CAP1.254P0.2/SCL0/CAP0.022P0.20/MAT1.3/SSEL1/EINT355P0.21/PWM5/AD1.6/CAP1.31P0.22/AD1.7/CAP0.0/MAT0.02P0.23/VBUS58P0.25/AD0.4/AOUT9P0.28/AD0.1/CAP0.2/MAT0.213P0.29/AD0.2/CAP0.3/MAT0.314P0.3/SDA0/MAT0.0/EINT126P0.30/AD0.3/EINT3/CAP0.015P0.31/UP_LED/CONNECT17P0.4/SCK0/CAP0.1/AD0.627P0.5/MISO0/MAT0.1/AD0.729P0.6/MOSI0/CAP0.2/AD1.030P0.7/SSEL0/PWM2/EINT231P0.8/TXD1/PWM4/AD1.133P0.9/RXD1/PWM6/EINT334P1.16/TRACEPKT016P1.17/TRACEPKT112P1.18/TRACEPKT28P1.19/TRACEPKT34P1.20/TRACESYNC48P1.21/PIPESTAT044P1.22/PIPESTAT140P1.23/PIPESTAT236P1.24/TRACECLK32P1.25/EXTIN028P1.26/RTCK24P1.27/TDO64P1.28/TDI60P1.29/TCK56P1.30/TMS52P1.31/TRST20RESET57RTXC13RTXC25VBAT49VDD23VDD43VDD51VDDA7VREF63VSS6VSS18VSS25VSS42VSS50VSSA59XTAL162XTAL261LPC2148FBD64+5VVCCAF30pFC1412Y1100R15100pFC12VCCVssVddVoRSR/WEDB0DB1DB2DB4DB5DB7DB6DB82345678910111213141*LCM5VCABDEFGHIJKDEFHIJKGABS3SW-PBS2SW-PBS6SW-PBS4SW-PBS5SW-PB200R16200R17200R18200R19200R20VCC+12v-12v-5v图1音频信号分析仪的原理图