音頻信號分析儀

引言
    音頻信號分析儀利用頻譜分析原理來分析被測信號的頻率、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方法的音頻信號分析儀設(shè)計方案，通過快速傅里葉變換(FFT)把被測的音頻信號由時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，將其分解成分立的頻率分量，在此基礎(chǔ)上對其進(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)計可應(yīng)用于音頻制作、信號分析等領(lǐng)域，具有一定的科學(xué)價值和實用價值。

2 方案論證
2．1 前級信號調(diào)理方案
    考慮到盡量擴(kuò)大信號動態(tài)范圍，又為了保證測量精度，盡量減小通道間干擾，該系統(tǒng)設(shè)計采用多路多級放大器對信號放大不同的固定倍數(shù)，使信號達(dá)到A／D采樣精度范圍，在數(shù)據(jù)處理時再縮小相應(yīng)倍數(shù)，從而得到信號正確幅值。該方案通道間干擾小，但小信號放大硬件部分較復(fù)雜。
2．2 頻率分量檢測方案
    該系統(tǒng)設(shè)計采用頻域處理法。先對信號A／D采樣，再運用FFT處理，可得信號頻譜，則可方便得到各頻率分量的幅值和功率等信息。但對于非周期信號，由于信號截斷的緣故，將造成頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)而引入誤差，但可分別通過加窗或增加FFT運算點數(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，采用頻域處理法，精度高，速度快。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計
    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)尤其要注意小信號處理，信號多路分級放大，調(diào)理到A／D轉(zhuǎn)換器適合采樣的輸入范圍內(nèi)，經(jīng)過抗混疊濾波后，一路送給AD637進(jìn)行有效值檢測計算總功率，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點的FFT運算得到信號的功率譜，并實時顯示信號總功率及主要頻率分量功率。該系統(tǒng)運用相關(guān)原理判斷信號周期性并測量周期，具有掉電存儲回放顯示和信號頻譜顯示功能。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

3．1 前級放大電路
    采用3路多級放大，在實際電路調(diào)試時該系統(tǒng)的放大電路能夠穩(wěn)定工作在增益為10 000的狀態(tài)下。因為采用的A／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)可測的最小信號峰一峰值大小為100 mV／10 000=10μV。最終該系統(tǒng)設(shè)定輸入信號電壓范圍為10μV～20 V，即126 dB的動態(tài)范圍。
    系統(tǒng)中放大器增益較大，尤其要注要小信號放大，因此運放的選擇最為關(guān)鍵，否則會影響系統(tǒng)的整體性能。如圖2所示，前級運放采用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，適合小信號高增益放大處理。后級運放采用UA741CN，其為精密低噪聲運放，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
    A／D采樣電路如圖3所示，系統(tǒng)選用12位A／D轉(zhuǎn)換器MAX197來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。它有0～5 V，0～10 V，-5～5 V，-lO～10 V 4種輸入量程，采樣率可達(dá)100 kS／s。同時具有8個模擬通道，可方便選擇通道，且可根據(jù)各個通道的最終幅值大小選擇輸入量程。