音频信号分析仪报告

加密号：上半页不需填写----------------------------------加密号：2007全国大学生电子设计竞赛设计报告题目：音频信号分析仪（A题）学校：哈尔滨工业大学姓名：肖恩汪开灿杜鹏飞编号：HA14摘要本音频信号分析仪以嵌入式软核NiosII处理器为核心，采用运放以及模拟开关多级放大器串联实现自动增益控制。以16位AD转换器MAX195实现音频信号的采样，采样信号的频谱分析通过硬件加速器配合NiosII处理器软硬件联合实现。利用图形型点阵液晶提供友好的界面显示分析结果。本系统可对电压范围在1mV~10V（峰-峰值），频率范围在20Hz-10KHz的音频信号进行频谱分析，完成了题目的基本要求和发挥部分。关键字：音频信号分析仪，自动增益，NiosII，频谱分析一．系统方案论证与比较方案一：采用单片机系统控制AD转换器将音频信号存入缓冲区后，由CPU进行频谱分析以及功率计算。这种方案无法严格控制AD的采样率，这样会严重影响系统频谱的分析精度，并且使用单纯的CPU来完成复杂的计算，在分析速度以测量精度很难满足题目的要求。方案二：采用DSP处理器完成精确的信号采样以及快速的信号处理。很多DSP内部集成有FFT内核，能够快速完成信号的分析，但是同样存在方案一中所述的无法严格控制AD的采样速率。方案三：采用FPGA实现片上可编程系统，以NiosII嵌入式处理器为核心，通过硬件控制AD采样，保证采样速率，通过自定义浮点指令、硬件乘法器等硬件加速方案可快速完成复杂的数据处理。故本系统选择方案三。二．理论分析与计算2.1放大器设计根据要求，要保证能够正确分析宽输入范围内输入信号的频率和功率，充分利用AD的转换精度，要求小信号在AD采集之前有一定倍数的放大，并且保证放大倍数可知，这样要求放大电路放大倍数可控并且有足够的带宽，在10kHz以下没有衰减，这样就要求运放有足够的带宽。2.2高频噪声的抑制根据采样定理，任何频率高于fmax的信号能量，通过AD采样后都会散播到有有效信号的频带之内，给测量带来误差，其中fmax为有意义信号的最高能量。所以在AD转换之前应该加一个模拟低通滤波器去除任何高于fmax的信号。但在实际过程中发现，即便是4阶切比雪夫滤波器，也难以保证在通频带内有效信号的无衰减，而有效信号的微小衰减，也会给我们的测量引入误差，难以实现发挥部分所要求的微小信号的高精度检测，所以我们通过放大电路的高频抑制电容去除高频噪声。2.2数据采集的设计若要精确的实现频谱分析，必须精确控制AD采样速率，AD采样速率的偏差将会导致后面所有计算的偏差，在我们的设计中必须精确的保证AD采样率为20.48ksps.否则会导致频谱分析时中心频率的偏差。当我们分别用20.48ksps和20.49ksps的采样速率对峰峰值2V，频率为9000Hz的信号进行采样，进行1024点的FFT，matlab仿真如图2-1。可见采样频率的微小误差，将导致频率中心轴的偏移，导致中心频率的能量泄漏到相邻频率，带来很大的测量误差。图1不同采样率频谱分析对比图2-1不同采样率分析2.3功率谱测量方法2.3.1快速傅立叶变换傅立叶变换对采样数据进行进行离散傅立叶（DFT）变换实现功率谱的测量，DFT是傅立叶变化的离散化，计算公式为12/0()()NjnmNnXmxne,其中()Xm是频域的离散序列值，m表示频率的大小，x(n)是时域连续变量x(t)的离散值，N是抽样点数。若直接对抽样数据进行DFT变换，需要N2次复数乘法运算，计算量大，难以实时完成。我们采用了DFT的快速算法快速傅立叶变换（FFT），需要2.log2NN次复数乘法，随着N的增大缩节省的运算时间越多。为了提高减少在运算过程中由于数据截取所引起的误差，我们采用浮点数运算，精确表示到小数点后6为。尽管浮点数运算增加了CPU运算时间，但因为NiosII处理器是32位处理器，能工作在100M以上，完全能满足实时性要求。2.3.2功率计算FFT的运算结果为复数()()()realimagXmXmjXm，FFT输出的功率谱为222()()()magrealimagXmXmjXm,而在时域中功率为22011()/2mkinkPAAR其中P为总功率，0A为直流量，Amk为各次谐波的振幅，RIN为输入阻抗，折换到频域中为FFT各个频率分量的功率为21()()/2maginPmXmR，不考虑直流总分量功率为211()/2NmaginkPXmR。对各个频率分量按功率大小进行排序，即可得到各个频率分量所占比重的大小。2.3.3运算结果取舍因为前端放大测量采集精度能达到1mV,折换到功率应该为21()()/2maginPmXmR=0.01uW，而FFT运算浮点数结果最后一位表示的是uW，所以应该把FFT的运算折换到双精度型，对微小信号精确到10nW。2.4周期性判断方法对信号周期性的判断可以通过多次FFT，对FFT的运算结果进行比较，确认基波是否会出现在固定频率，来判断是否是周期信号，对于功率相近的几种频率叠加的信号，可以通过设定功率阈值来判断，即若基波频率不稳定，可以通过功率是否相近来判断，设一定阈值以免误判。对信号的周期测量可以通过如下方法：1）若基波功率远大于其它频率，直接对基波的频率取倒数即可；2）若基波与谐波功率相近，可以同过插值法来逼近，以提高测量精度。2.5正弦信号失真度的测量非线性信号的失真度为222231(...)/100%THDUUU，其中21U为基波功率，2mU为m次谐波的功率谱，通过分析输入信号的特性我们只计算到3次谐波已经满足精度要求。利用FFT的对称性*()()XmXNm，可以计算超过折叠频率fs/2的各次谐波。三．电路与程序设计3.1系统总体框图NiosIICPUJTAGAvalon总线FLASH控制器SRAM控制器AD控制器FPGASRAMFLASHMAX195液晶显示程控放大部分液晶控制器键盘图3-1系统总体框图3.2电路设计3.2.1信号输入部分为了保证电路的输入阻抗为50Ω，采用了如图3-2的设计。R2为50Ω(1/4W，1‰精密电阻)的负载电阻，根据运放虚断原则，能够保证电路的输入阻抗为50Ω，满足题目的设计要求。图3-2阻抗匹配电路图3-3放大电路单元3.2.2信号自动增益电路为了保证AD能够在宽的信号范围内保证采样精度，放大电路采用了多级放大器串联的结构，通过模拟开关切换放大倍数，每级的放大电路如图3-3所示。10KR1Res250R2VCCVSS742163U1AAD817P1BNCOutput742163U2AOP3710KR510KR6VCCVSS100KR430pFC1InputOutput整个放大电路一共有10、10、10、5共4个增益的放大器，放大增益可在1、5、10、50、100、500、1000倍七档中选择，合理选择连入电路的放大器可保证信号的自动增益控制（AGC）。各级的连接关系如图3-5所示。假定选择放大增益为500，则使KEY1、KEY3、KEY6、KEY7接通，其他开关关断，将放大器1、2、4接入电路即可。放大器1G=10放大器2G=10放大器3G=10放大器4G=5KEY1KEY2KEY3KEY4KEY5KEY6KEY7KEY8图3-5自动增益放大器模拟开关KEY1~KEY7采用了MAXIM公司的MAX314，导通最大电阻10Ω，对放大电路影响基本可以忽略。这种设计简便灵活，易于实现，使用普通运放OP37即可满足要求。相比程控增益放大器具有使用灵活，成本低廉的特点。3.2.3AD采样为了提高运算精度，我们采用了16位AD转换器MAX195双极性信号进行采集，转换速率最高可配置为85ksps。MAX195进行一次采样需要20个时钟周期，要实现精确的控制采样率，需要提供给MAX195的采样时钟为y严格为fc=20fs=409.6k，我们通过FPGA接入外部频率为32.768M，相对误差为10-6的有源晶振80分频产生采样时钟进行采样，利用FPGA内部RAM资源FIFO对采样数据进行缓存，当采满1024个点之后，产生中断信号，通知NiosIICPU读取采样数据，这样就把采样率严格的控制在20.48ksps，相对误差不会超过10-6，如图3-6。FPGA内部80分频有源晶振32.768MAD采样时钟409.6KMAX195测量信号NiosII处理器1024x16FPGA内部FIFO缓冲采样数据中断读取采样数据图3-6AD采样总体框图3.3程序流程图显示开机画面及初始化实时采集信号进行频谱分析切换分辨力暂停周期信号测量显示之前存储的数据开始中断图3-7系统软件流程图四．测试方案与测试结果4.1测试条件及测试方案4.1.1测试条件测试中所用到的仪器如下：1Agilent5462160MHz双踪示波器；2交流毫伏表；3TFG3050双通道信号源；4VC97四位数字万用表。4.1.2测试方案的选择1〉输入电阻的测量如图4-1所示，将信号源经50Ω电阻(1/4W，1‰精密电阻)接入电路的信号输入端，使用毫伏表测量50Ω电阻和输入端的电压分别记为U1，U2。根据公式21URiRU即可计算出电路的输入电阻。2〉信号的输入方案选择及分析由于要求至少检测输入信号前两个频率成分的频率和功率值，为了能够正确检测出前两个频率的功率，我们设计了两种检测的方案，如图4-2a、b所示，两种方案都是通过毫伏表测量信号源1、2输出的电压有效值U1、U2，然后归算到系统输入端的消耗功率即可算出各个频率真实的功率。Ri信号源1信号源2分析仪50Ω50Ω50Ω50Ω50ΩU1U2U1U2RRRR´放大器输入阻抗匹配电路分析仪图4-2a图4-2b对于图4-2a信号源1、2和分析仪电路满足阻抗匹配关系，信号源和系统电路的内阻以及外电路的等效电阻均为50Ω，系统电路的输入电压U=1/2（U1+U2），对于测试电路来说是一个比较理想的选择，但是这种电路要求信号源的内阻严格等于50Ω，而且具有一定的驱动能力，这对信号源要求比较苛刻，普通信号源难以达到，实测过型号为TFG3050的信号源在驱动50Ω负载下的电阻值为54.3Ω，如此之高的偏差会产生较高的测量误差，由于测量仪器自身的精度达不到要求，所以只能放弃这种测量方案。对于图4-2b信号，先将50Ω的输入电阻匹配电路从电路中断开，U1、U2的信号经由运放相加后直接接给放大器，之所以要断开电阻匹配电路是由于加法器输出没有足够的功率驱动50Ω负载。这种电路使用方便，无需配备高性能的图4-1输入电阻的测量信号源以及高精度的电阻匹配网络即可完成分析仪的测试。对于此种方案的功率检测的可行性分析见附录1。3〉周期非周期信号的测量方法用信号源产生一周期性的信号，用分析仪测试其周期性。用信号源产生一频率逐渐升高的信号，用分析仪测试其周期性。4.2测试结果及分析4.2.1输入电阻的测量如表1，通过3次测量计算得到输入电阻的阻值为Ri=50Ω，满足题目要求。表1输入电阻的测量R1上的电压Vamp/mVR0上的电压Vamp/mVR0/ΩRi/Ω1141.5141.550.0050.002105.2105.250.0050.003365.5365.550.0050.004.2.2功率分析如表2功率分析数据，经测定，分析出的功率最大的前两个误差，以及总功率的计算均满足题目要求。表2功率分析测量CH1/mVCH2/mV频率1频率2总功率频率mv频率mv功率误差功率误差功率误差16068740346.89.36mW1.2%2.40mW1.5%11.951.0%26032.31k34.421.34uW2.3%24.23uW2.4%45.602.4%31k25.610k36.512.87uW1.8%26.1uW2.1%40.381.6%4.2.2周期性测试如表3周期性分析结果，分析结果满足题目要求。表3周期性分析结果被测信号分析周期性THD1周期性正弦波周期0.5%2非周期性频率一直上升非周期4.3其他创新1．微小信号检测