音频信号分析仪_范文

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1、题目：咅频信号分析仪（A题）作者：信鹏皓张玉霞邓杰辅导教师：王淑娟老师一、总体方案设计1.1主处理器选择根据题FI要求，需分析音频信号频率成分并可测量正弦信号失真度，很显然需要研究信号的频域特性。在进行频域分析之前，必须使用AD采集一段离散的信号序列作为频域分析的原始数据，离散傅里叶变换（DFT）是分析离散周期序列的主要手段。因此，可以采用数据采集及处理的方法分析信号的频率成分。由于DFT计算过程需要完成大量的乘法和加法操作，而且随着采样点数的增加成指数性增长，尽管可以通过快速傅里叶变换（FFT）减少计算量，但其复杂程度对于

2、普通微处理而言仍然相当可观。因此木设计的关键是选择合适的微处理器作为系统的控制和处理芯片。普通单片机、ARM、DSP都可完成此功能，其各项功能比较如表一所O表一三种微处理器的比佼微处理器类型处理速度开发周期价格应用场合普通单片机慢快适中低端ARM适屮适屮适中低端和高端DSP快慢较贵高端从上表可以看出，普通单片机最大缺点是其运行速度慢，完成FFT计算需花费较长时间；而DSP的开发周期较长，价格较贵。因此，最终选择各项指标都比较均衡的ARM作为系统的主处理器。1.2总体方案设计选择ARM为主处理器后，设计系统总体框图如图1所示。

3、其中，程控放大器能够根据输入信号的幅值动态调节放大倍数以次提高系统灵敏度；滞回比较和过零比较电路用于将被测信号整形为标准的脉冲信号，用于主控器测量频率或周期。图1系统总体框图理论分析与计=J2.1放大器的设计(1)输入信号先经过跟随放大器以保证输入阻抗50欧姆。(2)为了对不同幅值的信号进行功率测量分析，对信号进行不同倍数的放大。我们利用模拟开关把运算放大器的放大倍数设计为150倍，15倍和1倍三档。其放大倍数利用软件来控制。(3)为了对不同幅值的信号进行频率测量分析，将通过跟随放大器的输出信号放大一定的倍数，再经过一系列整

4、形得到ARM需要的信号。2.2周期性测量方法利用ARM对整形后的波形信号进行计时采样，通过定时100毫秒ARM捕捉到的上升沿个数即可测得此信号的频率，取频率的倒数就是周期。2.3总功率及各分量功率测量首先由ARM米集的离散点求得时域总功率PT:电压有效值：二血2+屮鬃陋(2亠7N总功率：U2PT=—(2-2)/R式中，采集离散点的电压值；p—变换点数;R—输入电阻。然后进行FFT变换，得到各离散点对应的复数值/,求得各频率分量的频域功率值5=Ir；+h-(2・3)频域总功率Pf=片+鬥+鬃PN(2-4)各分量所占的比重为H.

5、=吃？100%Pf(2・5)由于在吋域和频域中各功率分量在总功率中的比重不变，因此各频率分量的时域功率为P产P£乩(2・6)失真度7WD计算：松Tj-jn—/,=29inn%(2・7)LnLJ—:1uu/oPfTHD=Y2*](2・5)1LLLJ—1UU/OU三、主要电路与程序流程图3.1主要电路硬件设计为了保证低幅值准确测量和高幅值不失真，硬件电路采用放大倍数可调的程控放大器，其放大倍数选择利用软件控制。第一次采样的放大倍数初始化为1倍，当输入信号峰_峰值为10〜100mV时，U1、U3选通通道1,放大倍数为150倍；当

6、输入信号峰_峰值为100mV〜IV时，Ul、U3选通通道2,放大倍数为15倍；当输入信号峰_峰值大于1V时，Ul,U3选通通道3,放大倍数为1倍。对于频率的测量采取整形电路，U5通过电容滤除直流分量，并将输入信号放大，U6为滞回比较器，将输入波形整形为方波，但输出电压为12V,ARM不能承受，因此添加U7将输出方波的幅值降为5Vo图2程控放大电路图3频率测量电路3.2主要软件流程图人油愚麵肌<—AD^it垃人童1匚甘班杆E；屈舉it折H立时井算功轧eut百井比实时乂示“1首先输入信号经过整形电路由控制器测出频率，如果频率大于

7、300Hz,采样频率为25.6kHz,如果频率小于300Hz,采样频率降为2.56kHz；然后动态调节输入电压幅值（具体方法见3.1）,对采集到的数据进行傅立叶分解，计算各频率成分功率值，最后实时显示测量值。四、测试方案与测试结果4.1测试方案此分析仪能对输入信号的电压幅值和频率进行实时监控测量，并且以5秒周期刷新分析数据。首先选取峰—峰值为100mV和5V,同时频率在200Hz〜10kHz的范围内进行测量。然后扩大输入信号动态范围和频率范围进行测量。4.2测试报告（1）输入阻抗：49.96W（2）周期测量周期测量方法如前所

8、述，其理论值由高精度的信号源给定，测试数据如表二所示。表二频率测试数据波形种类峰_峰值（mV）周期（ms）误差（％）实际值理论值正弦波10101001000.98911.1410000.10.0954.5（3）失真度测量失真度测试方法依据如前述公式，测试数据如表三所示。表三失真度测试数据波