音频分析仪

全国电子设计大赛2007年A题音频分析仪设计流程1、设计需求分析2、方案论证3、设计实现4、系统调试需求分析1、市场调查2、功能分析3、指标参数确定方案论证1、功能分析2、指标分析3、功能细化4、系统原理确定5、具体功能模块划分6、器件选定设计实现1、具体电路设计2、程序设计3、电路原理图和仿真4、PCB图5、PCB制作6、器件焊接调试1、硬件调试2、程序调试3、功能模块单独调试4、系统联调2007题目一、任务设计、制作一个可分析音频信号频率成分，并可测量正弦信号失真度的仪器。二、要求1．基本要求（1）输入阻抗：50Ω（2）输入信号电压范围（峰-峰值）：100mV～5V（3）输入信号包含的频率成分范围：200Hz～10kHz（4）频率分辨力：100Hz（可正确测量被测信号中，频差不小于100Hz的频率分量的功率值。）（5）检测输入信号的总功率和各频率分量的频率和功率，检测出的各频率分量的功率之和不小于总功率值的95%；各频率分量功率测量的相对误差的绝对值小于10%，总功率测量的相对误差的绝对值小于5%。（6）分析时间：5秒。应以5秒周期刷新分析数据，信号各频率分量应按功率大小依次存储并可回放显示，同时实时显示信号总功率和至少前两个频率分量的频率值和功率值，并设暂停键保持显示的数据。2．发挥部分（1）扩大输入信号动态范围，提高灵敏度。（2）输入信号包含的频率成分范围：20Hz～10kHz。（3）增加频率分辨力20Hz档。（4）判断输入信号的周期性，并测量其周期。（5）测量被测正弦信号的失真度。（6）其他。三、说明1．电源可用成品，必须自备，亦可自制。2．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序、和完整的测试结果用附件给出。音频分析仪工作原理１、功能：分析在声音频段（20Hz~20KHz）的频率成分。即该频段中各频点的幅值。得到的是某信号的频率组成成分。２、核心方法：将音频信号从时域转换到频域。频谱图概念在通信中处理的信号有话音、数据(电码)、图像等。这些信号最后都转换为随着时间而随机变化的电压或电流。—个规则的非正弦信号，不论它是周期性的还是非周期性的，都可以分解为一系列频率不同的正弦（或余弦)分量。图1所示的非正弦电流波形中，可以分解为两个频率不同的正弦波，其中频率为l000Hz的正弦波，振幅是4毫伏，初相角是+90。；另一个频率为3000Hz的正弦波，振幅是1毫伏，初相角是-90。。信号中分解出的所有正弦波，可以按其频率高低依次排列，将各正弦波的振幅，按其频率高低顺序加以排列，就可以得到信号的振幅频谱，简称幅谱。将各正弦波的初相角，按其频率顺序加以排列，就可以得到信号的相位频谱，简称相谱。频谱是幅谱和相谱的总称。由于在大多数情况下知道信号的幅谱就够了，所以习惯上提到频谱一般都是指幅谱，否则就需要作相应的说明。信号的频谱可以用图2表示，这种图称为频谱图。图中纵轴的线段称为谱线，它的长度代表正弦波的振幅A或相角ψa，它的横轴上所处的位置代表该正弦波的频率f。指标分析1、输入阻抗：输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样，它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，则对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响；而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。因此，我们可以这样认为：如果是用电压源来驱动的，则输入阻抗越大越好；如果是用电流源来驱动的，则阻抗越小越好（注：只适合于低频电路，在高频电路中，还要考虑阻抗匹配问题。另外如果要获取最大输出功率时，也要考虑阻抗匹配问题2、频率分辨力：频谱仪所能分辨的最小频率间隔。FFT中第一个点表示直流分量（即0Hz），而最后一个点N则表示采样频率Fs，这中间被N-1个点平均分成N等份，每个点的频率依次增加。例如某点n所表示的频率为：Fn=(n-1)*Fs/N。由上面的公式可以看出，Fn所能分辨到频率为为Fs/N，如果采样频率Fs为1024Hz，采样点数为1024点，则可以分辨到1Hz。1024Hz的采样率采样1024点，刚好是1秒，也就是说，采样1秒时间的信号并做FFT，则结果可以分析到1Hz，如果采样2秒时间的信号并做FFT，则结果可以分析到0.5Hz。如果要提高频率分辨力，则必须增加采样点数，也即采样时间。频率分辨率和采样时间是倒数关系。方案讨论方案一：以模拟滤波器为基础的模拟式频谱分析仪。有并行滤波法、扫描滤波法、小外差法等。因为受到模拟滤波器滤波性能的限制，此种方法对我们来说实现起来非常困难。方案二：以FFT为基础的的数字式频谱分析仪。通过信号的频谱图可以很方便的得到输入信号的各种信息，如功率谱、频率分量以及周期性等。外围电路少，实现方便，精度高。信号经过FFT变换后可以表示成01122()cos()cos(2)2AftAtAt01cos()2nnnAAnt002njwtnnACeＦＦＴ实现方法１、使用单片机２、使用ＤＳＰ３、使用ＦＰＧＡ如何得到数字信号模数转换器：１、转换幅度：输入模拟信号的最高电平。２、转换精度：ＡＤＣ的输出数据宽度。３、转换频率：采样频率，遵循奈奎斯特采样定理。考虑到频率分辨率，依照公式：Fn=(n-1)*Fs/N，确定Ｎ和Fn即可得到Fs。分辨力FFT点数FFT测量频率*二次采样速度原始采样速度100Hz256点12.8K25.6K76.8K50Hz512点12.8K25.6K76.8K20Hz1024点10.24K20.24K60.72K10Hz2048点10.24K20.24K60.72K采样前的信号处理１、抗混叠滤波：采样序列的频谱是被采样模拟信号频谱的周期延拓，当采样频率不满足奈奎斯特采样定理时，就会发生频谱的混叠，使得采样后的序列信号频谱不能真实的反映原信号的频谱。。所以要将不必要的信号频率成分滤除。使用集成运放搭建的有源滤波电路。也可使用专用芯片。２、小信号放大使用集成运放搭建放大电路。（１）有效带宽（２）放大倍数选择ａ、固定倍数ｂ、可变倍数功率计算各次谐波功率谱为：2nnPF帕斯瓦尔定律：周期信号平均功率=直流、基波及各次谐波分量有效值的平方和也就是说，时域和频域的能量是守恒。失真度测量失真度可以被定义为被测信号中各次谐波的能量之和与被测信号中基波的能量之比的平方根。222321..........2222nAAArA222231..........nCCCrC器件选择根据上面方案论证和参数分析后得到的技术指标选择器件。可以到：或百度，GOOGLE上搜索器件。具体实现1、放大电路2、ADC及抗混叠滤波电路需考虑的问题1、ADC与处理芯片间的通信接口2、电平兼容3、速度匹配4、数据格式处理芯片电路1、峰值检测2、处理芯片核心电路数据处理电路重点问题1、电平匹配2、处理速度3、控制流程4、数据存储5、外围接口PCB图PCB板调试1、制定调试方案2、分功能调试3、软硬件调试4、系统联合调试5、调试仪器设备作品