音频信号分析仪

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Company name,*,Click to edit Master title style,音频信号分析仪,武汉大学,:,黄根春,系统简介,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，由前级信号调理模块、抗混叠滤波模块、,AD637,检波模块、,A/D,采样模块等构成。采用数字信号处理技术，在,FPGA,内部完成了,2048,点浮点型,FFT,计算，能准确判断频率成分在,20Hz,10kHz,、幅值范围在,0.1mV,10V,的输入信号的功率谱及其总功率，频率分辨力可达,10Hz,，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。系统对待测量的显示,5s,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，人机交互界面友好。,Company name,题目要求,题目要求设计制作一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。,该仪器能够检测的输入信号的范围（峰峰值）为,100mV5V,，可进一步扩展输入信号的动态范围。,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,100Hz,，可扩展至,20Hz,。,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。,Company name,方案论证与比较,1,、信号调理与采集的方案论证,方案一,：,采用高有效位,AD,方案二,：,采用对数放大器,方案三,：,采用多通道放大,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，有利于信噪比与测量精度的提高。,Company name,2,、,信号频率成分检测的方案论证,方案一：模拟滤波法,方案二：,DFT,谱分析法,经过比较，数字的,DFT,方法则易于实现，速度快，精度高。故可选用方案二，利用,FPGA,快速的数据处理能力，在其中完成,2048,点的浮点型,FFT,。当采样率为,40.96kHz,时，由公式，频率分辨率可达,20Hz,，降低采样率可进一步提高频率分辨力。,Company name,3,、信号总功率检测方案论证,方案一：,A/D,采样法,方案二：有效值检波法,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差较大，故我们选用方案二。,Company name,系统总体设计方案及实现框图,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,ADC,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,AD,进行采样。根据频率分辨力来确定采样率，利用,FPGA,快速数据处理能力，在其中完成,2048,点的,FFT,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，大大提高了判断的准确性。,Company name,Company name,系统实现耗用资源分析,1,、,2048,各采样点,占用资源,1024*4byte,作为旋转因子,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,Company name,理论分析与计算,1,、放大器设计,基于题目“扩大输入信号动态范围”的要求，将信号在进入,A/D,转换器之前需要进行合理的处理，使其在,A/D,量化范围内达到量化精度最高，此方法等效于,AD,位数的增加。对于基本要求中幅度较大的低频信号（,50mV,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法来实现。对于,50mV,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，输入信号总的动态范围可达,100dB,。这四路放大通道最后通过多路复用器选择送给,A/D,。先将信号经过,1,倍放大的通道送给,A/D,初测幅值，根据此值选择被测通路。,Company name,2,、功率谱测量方法,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的是周期图法。,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 。而自相关函数定义为：,，则,Company name,用有限长的样本序列来估计功率密度谱即为。,对于 的求解，在,FPGA,内部完成了,2048,点的基,2,时域抽取法,FFT,运算。数值运算采用浮点型，旋转因子由查表得到。设置,FPGA,的运算时钟为,100MHz,，从而能在,455ms,内完成一次,2048,点的运算，远小于题目,5s,的时间限制。,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 ，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便得求出。,Company name,3,、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性的判断问题。,对于信号 与 互相关函数的定义为：,，表示时刻。在 时刻的值，等于将 保持不动而左移 个抽样周期，然后，两个抽样序列在所有对应时刻值相乘，再加和。如果,=,，则上面定义的互相关就变成了自相关函数：。它表示信号的波形 与自身经过 时刻后的波形 的相似程度。,Company name,当,m=0,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，且两个极大值相等，则周期即为移位时间,m.,实际测试时采样点要包含两个以上的周期，先取长为,L,的窗对数据进行加窗后再作上述的相关运算。得到需要的移位时间,K,后，根据采样频率即可计算出周期大小,T,为 （为采样率）。,Company name,主要功能电路的设计,1,、前级信号调理电路,前级信号调理部分的电路设计采用多通道放大设计，右图是程控放大部分电路，主要用来调理基本要求中幅值范围在,100mV-10V,的信号。,Company name,2,、,A/D,采样,系统中对数据的采集选用,12,位,A/D,转换器,MAX197,来实现。它有,0,5V,，,0,10V,，,-5,5V,，,-10,10V,四种输入量程选择，采样率可达,100ksps,。同时具有八个模拟通道，可方便地选择通道，且可根据各个通道的最终幅值大小选择输入量程。电路原理图如右图所示。,Company name,3,、抗混叠滤波器,信号送到,ADC,之前要对信号进行抗混叠低通滤波器处理，防止高频分量信号被采样，产生频谱混叠，而影响给定较低频率信号的幅值分析。为此我们设计了一个截止频率为,15KHz,的四阶巴特沃斯低通滤波器做为抗混叠滤波器。元器件参数由滤波器软件,Filter wiz PRO,设计得到。上图为频率特性仿真图，下图为电路原理图。,频率特性仿真图,滤波器电路图,Company name,4,、,AD637,有效值检测电路,对于有效值的检测，我们选用真有效值测量芯片,AD637,来实现。平均电容,C1,可用来设定平均时间常数，并决定低频准确度，输出纹波大小和稳定时间。,R1,、,R2,、,C1,、,C2,及,TI,公司的高精密低噪声运放,OPA277,构成一二阶低通滤波滤除检波后的纹波。电路连接图如右图所示：,电路连接图,Company name,系统软件的设计,本系统软件部分由单片机和,FPGA,组成，单片机主要完成用户的输入输出处理和系统的控制，,FPGA,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,FFT,），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。,Company name,Company name,测试数据与分析,1,、测试使用仪器及型号,60M,数字存储示波器：型号,Tektronix TDS1002,函数信号发生器：,Sony Tektronix AFG310,高频信号发生器：,SP1461,5,位半数字万用表：,MASTECH MS8050,Company name,2,测试方案与主要测试结果,1,）输入信号动态范围测试,由函数发生器产生单一频率 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围。,Company name,2,）,输入信号频率范围及频率分辨力测试,由函数发生器产生幅值为,2V,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,Hz,。,频率分辨率设置为,20Hz,Company name,3,）总功率检测与各频率分量的功率检测,我们在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。百分比即为各频率成分的总和占总功率的百分比。,Company name,3,、测试结果分析,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，不过这个误差很小，在题目允许的范围内。系统的误差受,A/D,转换的量化误差、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,FFT,运算，有限字长效应大大减小。,Company name,总结,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，扩展了数据的掉电存储与频谱显示的功能。在资源有限的,FPGA,和单片机上，实现了,2048,点浮点型,FFT,运算，充分提高了资源利用率。,Company name,MSP430F449,单片机最小系统,MSP430F449,单片机精简开发板，,MSP430 Flash,系列单片机,JTAG,仿真器,MSP430F449,精简开发板,Flash,系列单片机,JTAG,仿真器,Company name,MSP430F449,主芯片，,60K,Flash,2ksram,12,位,AD,12,位,DA,兼容其他同引脚芯片,+5,V,供电，自带电压转换为,3.3V,，,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。,所有的单片机引脚全部扩展接出，方便用户使用。,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。,仿真器完全兼容,IAR,等集成开发软件，无需安装驱动程序。,Company name,Thank You!,