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1、LOGO音频信号分析仪音频信号分析仪武汉大学武汉大学: :黄根春黄根春系统简介系统简介v 本系统基于离散傅立叶变换原理，以单片机和本系统基于离散傅立叶变换原理，以单片机和可编程逻辑器件为控制核心，由前级信号调理模可编程逻辑器件为控制核心，由前级信号调理模块、抗混叠滤波模块、块、抗混叠滤波模块、AD637AD637检波模块、检波模块、A/DA/D采样采样模块等构成。采用数字信号处理技术，在模块等构成。采用数字信号处理技术，在FPGAFPGA内内部完成了部完成了20482048点浮点型点浮点型FFTFFT计算，能准确判断频率计算，能准确判断频率成分在成分在20Hz20Hz10kHz10kHz、幅值
2、范围在、幅值范围在0.1mV0.1mV10V10V的输的输入信号的功率谱及其总功率，频率分辨力可达入信号的功率谱及其总功率，频率分辨力可达10Hz10Hz，并能分析正弦信号的失真度。利用相关原，并能分析正弦信号的失真度。利用相关原理能准确检测信号的周期性并测量其周期。系统理能准确检测信号的周期性并测量其周期。系统对待测量的显示对待测量的显示5s5s刷新一次。另外还增加了掉电刷新一次。另外还增加了掉电存储回放显示及信号频谱显示的功能，人机交互存储回放显示及信号频谱显示的功能，人机交互界面友好。界面友好。音频信号分析仪题目要求题目要求v题目要求设计制作一台可分析音频信号频率成分并题目要求设计制作一
3、台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。可测量正弦信号失真度的仪器。 a)a)该仪器能够检测的输入信号的范围（峰峰值）为该仪器能够检测的输入信号的范围（峰峰值）为100mV5V100mV5V，可进一步扩展输入信号的动态范围。，可进一步扩展输入信号的动态范围。 b)b)对输入信号进行频率和功率的检测，其中对信号频对输入信号进行频率和功率的检测，其中对信号频率的分辨力为率的分辨力为100Hz100Hz，可扩展至，可扩展至20Hz20Hz。c)c)此外该仪器还能够判断信号的周期性及测量正弦信此外该仪器还能够判断信号的周期性及测量正弦信号的失真度。号的失真度。 音频信号分析仪方案论证与比
4、较方案论证与比较1 1、信号调理与采集的方案论证、信号调理与采集的方案论证v方案一方案一：采用高有效位采用高有效位ADADv方案二方案二：采用对数放大器采用对数放大器v方案三方案三：采用多通道放大采用多通道放大 经过上述的分析比较，我们选择方案三，经过上述的分析比较，我们选择方案三，可提高输入信号的动态范围，有利于信噪比与可提高输入信号的动态范围，有利于信噪比与测量精度的提高。测量精度的提高。音频信号分析仪2、信号频率成分检测的方案论证信号频率成分检测的方案论证v方案一：模拟滤波法方案一：模拟滤波法 v方案二：方案二：DFTDFT谱分析法谱分析法 经过比较，数字的经过比较，数字的DFTDFT方
5、法则易于实现，方法则易于实现，速度快，精度高。故可选用方案二，利用速度快，精度高。故可选用方案二，利用FPGAFPGA快速的数据处理能力，在其中完成快速的数据处理能力，在其中完成20482048点的浮点的浮点型点型FFTFFT。当采样率为。当采样率为40.96kHz40.96kHz时，由公式，时，由公式，频率分辨率可达频率分辨率可达20Hz20Hz，降低采样率可进一步提，降低采样率可进一步提高频率分辨力。高频率分辨力。音频信号分析仪3 3、信号总功率检测方案论证、信号总功率检测方案论证v方案一：方案一：A/DA/D采样法采样法 v方案二：有效值检波法方案二：有效值检波法 经过以上两种方案的论证
6、比较，方案一在经过以上两种方案的论证比较，方案一在输入信号的频率未知，非同步采样的情况下误输入信号的频率未知，非同步采样的情况下误差较大，故我们选用方案二。差较大，故我们选用方案二。音频信号分析仪系统总体设计方案及实现框图系统总体设计方案及实现框图v根据以上的方案论证与比较，先将输入信号通过根据以上的方案论证与比较，先将输入信号通过一多通道程控放大模块，调理到一多通道程控放大模块，调理到ADCADC适合采样的输适合采样的输入范围内，经过抗混叠滤波后一路送给入范围内，经过抗混叠滤波后一路送给AD637AD637进行进行有效值检测计算总功率，另一路送给有效值检测计算总功率，另一路送给ADAD进行采
7、样。进行采样。根据频率分辨力来确定采样率，利用根据频率分辨力来确定采样率，利用FPGAFPGA快速数快速数据处理能力，在其中完成据处理能力，在其中完成20482048点的点的FFTFFT运算计算该运算计算该信号的功率谱，并能实时显示信号总功率及主要信号的功率谱，并能实时显示信号总功率及主要频率成分功率。其中，对于信号周期性的判断与频率成分功率。其中，对于信号周期性的判断与测量，我们采用自相关的方法，大大提高了判断测量，我们采用自相关的方法，大大提高了判断的准确性。的准确性。 音频信号分析仪音频信号分析仪v系统实现耗用资源分析系统实现耗用资源分析1、2048各采样点占用资源1024*4byte作
8、为旋转因子2、逻辑资源1个浮点乘法器1000逻辑单元1个浮点加法器800逻辑单元1个控制器700逻辑单元3、外部存储器2048*2*4byte每点实部虚部各4个字节2048个点中有1024个点重复4、其他控制单元占用的资源音频信号分析仪理论分析与计算理论分析与计算v1 1、放大器设计、放大器设计v基于题目基于题目“扩大输入信号动态范围扩大输入信号动态范围”的要求，将信号在进的要求，将信号在进入入A/DA/D转换器之前需要进行合理的处理，使其在转换器之前需要进行合理的处理，使其在A/DA/D量化范量化范围内达到量化精度最高，此方法等效于围内达到量化精度最高，此方法等效于ADAD位数的增加。对位数
9、的增加。对于基本要求中幅度较大的低频信号（于基本要求中幅度较大的低频信号（50mV50mV以上），采用多以上），采用多路复用器通过选择放大器的反馈电阻来改变放大倍数的方路复用器通过选择放大器的反馈电阻来改变放大倍数的方法来实现。对于法来实现。对于50mV50mV以下的信号又分成三个固定放大倍数以下的信号又分成三个固定放大倍数不同的通路供选择。通过这四路放大，输入信号总的动态不同的通路供选择。通过这四路放大，输入信号总的动态范围可达范围可达100dB100dB。这四路放大通道最后通过多路复用器选。这四路放大通道最后通过多路复用器选择送给择送给A/DA/D。先将信号经过。先将信号经过1 1倍放大的
10、通道送给倍放大的通道送给A/DA/D初测幅初测幅值，根据此值选择被测通路。值，根据此值选择被测通路。音频信号分析仪2 2、功率谱测量方法、功率谱测量方法v功率谱表示单位频带内信号功率随频率的变化情况，它反功率谱表示单位频带内信号功率随频率的变化情况，它反映了信号功率在频域的分布情况。对于功率谱的测量采用映了信号功率在频域的分布情况。对于功率谱的测量采用的是周期图法。的是周期图法。v已知随机信号的功率谱和自相关函数是傅氏变换对，即功已知随机信号的功率谱和自相关函数是傅氏变换对，即功率谱率谱 。而自相关函数定义为：。而自相关函数定义为： ，则，则 音频信号分析仪v用有限长的样本序列来估计功率密度谱
11、即为。用有限长的样本序列来估计功率密度谱即为。v对于对于 的求解，在的求解，在FPGAFPGA内部完成了内部完成了20482048点的基点的基2 2时域抽取时域抽取法法FFTFFT运算。数值运算采用浮点型，旋转因子由查表得到。运算。数值运算采用浮点型，旋转因子由查表得到。设置设置FPGAFPGA的运算时钟为的运算时钟为100MHz100MHz，从而能在，从而能在455ms455ms内完成一次内完成一次20482048点的运算，远小于题目点的运算，远小于题目5s5s的时间限制。的时间限制。v计算出了各频率分量上的功率大小，那么根据失真度的定计算出了各频率分量上的功率大小，那么根据失真度的定义义
12、，即信号中全部谐波分量的能量，即信号中全部谐波分量的能量与基波能量之比的平方根值，正弦信号的失真度可以很方与基波能量之比的平方根值，正弦信号的失真度可以很方便得求出。便得求出。音频信号分析仪3 3、周期性判断方法、周期性判断方法根据相关性能够反映信号相似程度的特点来解决周期根据相关性能够反映信号相似程度的特点来解决周期性的判断问题。性的判断问题。 对于信号对于信号 与与 互相关函数的定义为：互相关函数的定义为： ， ，表示时刻。，表示时刻。 在在 时刻的值，等于将时刻的值，等于将 保持不保持不动而左移动而左移 个抽样周期，然后，两个抽样序列在所有对应个抽样周期，然后，两个抽样序列在所有对应时刻
13、值相乘，再加和。如果时刻值相乘，再加和。如果 = = ，则上面定义的互相，则上面定义的互相关就变成了自相关函数：关就变成了自相关函数： 。它表示信号的。它表示信号的波形波形 与自身经过与自身经过 时刻后的波形时刻后的波形 的相似程度。的相似程度。 音频信号分析仪v当当m=0m=0时具有极大值，即相似性最好的时候。当移位时间时具有极大值，即相似性最好的时候。当移位时间恰好等于一个周期时，又有一个极大值，且两个极大值相恰好等于一个周期时，又有一个极大值，且两个极大值相等，则周期即为移位时间等，则周期即为移位时间m.m.v实际测试时采样点要包含两个以上的周期，先取长为实际测试时采样点要包含两个以上的
14、周期，先取长为L的的窗对数据进行加窗后再作上述的相关运算。得到需要的移窗对数据进行加窗后再作上述的相关运算。得到需要的移位时间位时间K后，根据采样频率即可计算出周期大小后，根据采样频率即可计算出周期大小T为为 （ 为采样率）。为采样率）。音频信号分析仪主要功能电路的设计主要功能电路的设计1、前级信号调理电路、前级信号调理电路v前级信号调理部分的电路前级信号调理部分的电路设计采用多通道放大设计，设计采用多通道放大设计，右图是程控放大部分电路，右图是程控放大部分电路，主要用来调理基本要求中主要用来调理基本要求中幅值范围在幅值范围在100mV-10V100mV-10V的信的信号。号。 音频信号分析仪
15、v2 2、A/DA/D采样采样 v系统中对数据的采集选用系统中对数据的采集选用1212位位A/DA/D转换器转换器MAX197MAX197来实现。它来实现。它有有0 05V 5V ，0 010V10V，-5-55V 5V ，-10-1010V10V四种输入量程选择，四种输入量程选择，采样率可达采样率可达100ksps100ksps。同时具。同时具有八个模拟通道，可方便地选有八个模拟通道，可方便地选择通道，且可根据各个通道的择通道，且可根据各个通道的最终幅值大小选择输入量程。最终幅值大小选择输入量程。电路原理图如右图所示。电路原理图如右图所示。音频信号分析仪v3 3、抗混叠滤波器、抗混叠滤波器v
16、信号送到信号送到ADCADC之前要对信号之前要对信号进行抗混叠低通滤波器处进行抗混叠低通滤波器处理，防止高频分量信号被理，防止高频分量信号被采样，产生频谱混叠，而采样，产生频谱混叠，而影响给定较低频率信号的影响给定较低频率信号的幅值分析。为此我们设计幅值分析。为此我们设计了一个截止频率为了一个截止频率为15KHz15KHz的的四阶巴特沃斯低通滤波器四阶巴特沃斯低通滤波器做为抗混叠滤波器。元器做为抗混叠滤波器。元器件参数由滤波器软件件参数由滤波器软件Filter wiz PROFilter wiz PRO设计得到。设计得到。上图为频率特性仿真图，上图为频率特性仿真图，下图为电路原理图。下图为电路
17、原理图。 频率特性仿真图频率特性仿真图滤波器电路图滤波器电路图音频信号分析仪4 4、AD637AD637有效值检测电路有效值检测电路 v对于有效值的检测，我们对于有效值的检测，我们选用真有效值测量芯片选用真有效值测量芯片AD637AD637来实现。平均电容来实现。平均电容C1C1可用来设定平均时间常数，可用来设定平均时间常数，并决定低频准确度，输出并决定低频准确度，输出纹波大小和稳定时间。纹波大小和稳定时间。R1R1、R2R2、C1C1、C2C2及及TITI公司的高公司的高精密低噪声运放精密低噪声运放OPA277OPA277构构成一二阶低通滤波滤除检成一二阶低通滤波滤除检波后的纹波。电路连接图
18、波后的纹波。电路连接图如右图所示：如右图所示：电路连接图电路连接图音频信号分析仪系统软件的设计系统软件的设计 v本系统软件部分由单片机和本系统软件部分由单片机和FPGAFPGA组成，单片机主组成，单片机主要完成用户的输入输出处理和系统的控制，要完成用户的输入输出处理和系统的控制，FPGAFPGA主要完成高速的处理（如信号采样和存储）和大主要完成高速的处理（如信号采样和存储）和大计算量的处理（如计算量的处理（如FFTFFT），整个软件系统的设计中），整个软件系统的设计中模块化思想贯穿始终，采用菜单选择所用功能。模块化思想贯穿始终，采用菜单选择所用功能。音频信号分析仪音频信号分析仪测试数据与分析测
19、试数据与分析1、测试使用仪器及型号、测试使用仪器及型号v60M60M数字存储示波器：型号数字存储示波器：型号Tektronix TDS1002Tektronix TDS1002v函数信号发生器：函数信号发生器：Sony Tektronix AFG310Sony Tektronix AFG310 v高频信号发生器：高频信号发生器：SP1461SP1461v5 5位半数字万用表：位半数字万用表：MASTECH MS8050MASTECH MS8050 音频信号分析仪2 2测试方案与主要测试结果测试方案与主要测试结果v1 1）输入信号动态范围测试）输入信号动态范围测试v由函数发生器产生单一频率由函数
20、发生器产生单一频率 的正弦信号，的正弦信号，改变信号幅值。检测系统能够测量信号的幅度范改变信号幅值。检测系统能够测量信号的幅度范围。围。音频信号分析仪v2）输入信号频率范围及频率分辨力测试输入信号频率范围及频率分辨力测试v由函数发生器产生幅值为由函数发生器产生幅值为2V2V的正弦信号，改变频的正弦信号，改变频率。检测系统能测量信号的频率范围，频率单位率。检测系统能测量信号的频率范围，频率单位HzHz。频率分辨率设置为频率分辨率设置为20Hz20Hz音频信号分析仪v3 3）总功率检测与各频率分量的功率检测）总功率检测与各频率分量的功率检测v我们在系统外制作了一个加法器，利用两个函数发生器产我们在
21、系统外制作了一个加法器，利用两个函数发生器产生两个正弦波叠加再输入到系统中进行测量。百分比即为生两个正弦波叠加再输入到系统中进行测量。百分比即为各频率成分的总和占总功率的百分比。各频率成分的总和占总功率的百分比。音频信号分析仪v3 3、测试结果分析、测试结果分析v 测试结果基本上都达到了题目要求的指标，在采样率测试结果基本上都达到了题目要求的指标，在采样率与信号频率不是成整数倍关系时功率会有些泄漏，不过这与信号频率不是成整数倍关系时功率会有些泄漏，不过这个误差很小，在题目允许的范围内。系统的误差受个误差很小，在题目允许的范围内。系统的误差受A/DA/D转转换的量化误差、有限字长效应和实际算法的
22、影响，不过我换的量化误差、有限字长效应和实际算法的影响，不过我们进行的是浮点数的们进行的是浮点数的FFTFFT运算，有限字长效应大大减小。运算，有限字长效应大大减小。音频信号分析仪总结总结v由实验调试结果及测试数据可知，本系统达到题由实验调试结果及测试数据可知，本系统达到题目的指标要求，还进一步提高了频率分辨力，扩目的指标要求，还进一步提高了频率分辨力，扩展了数据的掉电存储与频谱显示的功能。在资源展了数据的掉电存储与频谱显示的功能。在资源有限的有限的FPGAFPGA和单片机上，实现了和单片机上，实现了20482048点浮点型点浮点型FFTFFT运算，充分提高了资源利用率。运算，充分提高了资源利
23、用率。 音频信号分析仪MSP430F449单片机最小系统单片机最小系统MSP430F449单片机精简开发板，单片机精简开发板，MSP430 Flash系列单片机系列单片机JTAG仿真器仿真器MSP430F449精简开发板Flash系列单片机JTAG仿真器音频信号分析仪vMSP430F449主芯片，60K Flash, 2ksram, 12位AD,12位DAv兼容其他同引脚芯片v+5V供电，自带电压转换为3.3V，v重点IO引脚人性化设计，使用者既可以通过实验板上的拨码开关进行功能选择。也可以通过扩展的IO口配置为用户自己的特殊功能。v所有的单片机引脚全部扩展接出，方便用户使用。v仿真器具有窃电功能，在负载功耗较小的情况下可以直接由并口给仿真器和开发板供电。v仿真器完全兼容IAR等集成开发软件，无需安装驱动程序。音频信号分析仪LOGO
