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[导读]引言 音频信号分析仪利用频谱分析原理来分析被测信号的频率、频谱及波形。常用的频谱分析方法有:扫频法、数字滤波法、FFT法。这里提出一种基于FFT方法的音频信号分析仪设计方案,通过快速傅里叶变换(FFT)把被测

引言
    音频信号分析仪利用频谱分析原理来分析被测信号的频率、频谱及波形。常用的频谱分析方法有:扫频法、数字滤波法、FFT法。这里提出一种基于FFT方法的音频信号分析仪设计方案,通过快速傅里叶变换(FFT)把被测的音频信号由时域信号转换为频域信号,将其分解成分立的频率分量,在此基础上对其进行各种分析,达到与传统频谱分析仪同样效果。该系统设计可应用于音频制作、信号分析等领域,具有一定的科学价值和实用价值。


2 方案论证
2.1 前级信号调理方案
    考虑到尽量扩大信号动态范围,又为了保证测量精度,尽量减小通道间干扰,该系统设计采用多路多级放大器对信号放大不同的固定倍数,使信号达到A/D采样精度范围,在数据处理时再缩小相应倍数,从而得到信号正确幅值。该方案通道间干扰小,但小信号放大硬件部分较复杂。
2.2 频率分量检测方案
    该系统设计采用频域处理法。先对信号A/D采样,再运用FFT处理,可得信号频谱,则可方便得到各频率分量的幅值和功率等信息。但对于非周期信号,由于信号截断的缘故,将造成频谱泄漏和栅栏效应而引入误差,但可分别通过加窗或增加FFT运算点数减小误差。该方案是基于单片机AT89S52和FPGA的快速数据处理平台,采用频域处理法,精度高,速度快。


3 系统总体设计
    该系统采用单片机与FPGA相结合作为控制核心与数据处理核心。系统尤其要注意小信号处理,信号多路分级放大,调理到A/D转换器适合采样的输入范围内,经过抗混叠滤波后,一路送给AD637进行有效值检测计算总功率,另一路送给A/D转换器进行采样。根椐频率分辨率来确定采样率,基于FPGA快速数据处理能力,在其中进行4 096点的FFT运算得到信号的功率谱,并实时显示信号总功率及主要频率分量功率。该系统运用相关原理判断信号周期性并测量周期,具有掉电存储回放显示和信号频谱显示功能。其系统总体框图如图1所示。

3.1 前级放大电路
    采用3路多级放大,在实际电路调试时该系统的放大电路能够稳定工作在增益为10 000的状态下。因为采用的A/D采样器件最小能在100 mV有很好的转换效果,则该系统可测的最小信号峰一峰值大小为100 mV/10 000=10μV。最终该系统设定输入信号电压范围为10μV~20 V,即126 dB的动态范围。
    系统中放大器增益较大,尤其要注要小信号放大,因此运放的选择最为关键,否则会影响系统的整体性能。如图2所示,前级运放采用TI公司的THS4031,其噪声电压密度为16 nV/Hz,带宽为100 MHz,整体性能好,适合小信号高增益放大处理。后级运放采用UA741CN,其为精密低噪声运放,带宽为1 MHz,带宽较小,可以进一步滤除高频分量。

3.2 A/D采样电路
    A/D采样电路如图3所示,系统选用12位A/D转换器MAX197来实现数据采集。它有0~5 V,0~10 V,-5~5 V,-lO~10 V 4种输入量程,采样率可达100 kS/s。同时具有8个模拟通道,可方便选择通道,且可根据各个通道的最终幅值大小选择输入量程。

5 结束语
    利用FFT实现对音频信号频谱分析的功能,频率覆盖范围为20 Hz~10 kHz,使用20.48 kHz的采样频率,FFT计算点数为4 096点,则频率分辨率为5 Hz。该音频信号分析仪成功实现各项设计指标,还具有掉电存储回放显示和频谱显示的功能,使系统更趋于智能化、人性化。整个系统由单片机和FPGA及简单硬件电路组成,控制简单,设计成本低,具有很高的科学价值和实用价值。

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