基于通用計(jì)算機(jī)的音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

蔣鳴東 金仁貴 / 安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

?

基于通用計(jì)算機(jī)的音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

蔣鳴東 金仁貴 / 安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

【摘 要】本文以通用計(jì)算機(jī)的為核心的音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)組成包括被測(cè)對(duì)象、傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器軟件和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)平臺(tái)被測(cè)信號(hào)首先經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后由信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行去噪、濾波及前級(jí)放大等預(yù)處理，然后通過集成芯片進(jìn)行音頻信號(hào)的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)通過單片機(jī)以串行通信的方式上傳到PC機(jī)，經(jīng)具有強(qiáng)大科學(xué)計(jì)算能力的軟件LABVU分析處理，將分析結(jié)果傳到單片機(jī)并通過液晶和打印機(jī)進(jìn)行輸出，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)音頻信號(hào)的頻譜分析、功率分析和正弦信號(hào)失真度的測(cè)量。

【關(guān)鍵詞】信號(hào)采集；頻譜分析；虛擬儀器；正弦信號(hào)失真度

1.系統(tǒng)方案選擇與論證

1.1總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)為中心的音頻信號(hào)分析儀，采集的信號(hào)在幾十赫茲到十千赫茲范圍內(nèi)，筆者利用現(xiàn)有技術(shù)與設(shè)備以及考慮較高性價(jià)比，采用轉(zhuǎn)換速度幾十微秒的AD轉(zhuǎn)換芯片和通用計(jì)算機(jī)構(gòu)成，原理如圖1所示。

本分析儀以LPC938單片機(jī)為核心，聲音模擬信號(hào)通過LM358進(jìn)行信號(hào)放大，利用LPC938自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)通過串行口通信的方式將數(shù)字音頻信號(hào)傳給PC機(jī),通過PC機(jī)顯示音頻信號(hào)并分析結(jié)果。利用LabVIEW強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算能力，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行了自相關(guān)和互相關(guān)分析，并對(duì)確知信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析和功率譜分析，實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)。并將分析結(jié)果下傳51單片機(jī)，由液晶顯示、打印機(jī)打印。

P89LPC938是一款單片封裝的微控制器，適合于要求高集成度、低成本的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求。它采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2--4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。8KB可擦除FLASH程序存儲(chǔ)器，具有1KB扇區(qū)和64字節(jié)頁(yè)。256字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和一個(gè)512字節(jié)附加片內(nèi)RAM,以及512字節(jié)片內(nèi)用戶數(shù)據(jù)EEPROM存儲(chǔ)區(qū)。并包含8輸入多路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高，運(yùn)算速度快，另外P89LPC938還自帶10位8路輸入的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，8個(gè)結(jié)果寄存器，6種工作模式，3種轉(zhuǎn)換啟動(dòng)模式，在9MHZ的A/D時(shí)鐘下，4US的轉(zhuǎn)換時(shí)間，非常適合本設(shè)計(jì)需求。

本設(shè)計(jì)比較注重實(shí)用性，在運(yùn)放中采用單電源供電的雙運(yùn)算放大器LM358。LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。其他功能模塊采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的器件。

2．系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)硬件的基本組成部分

本設(shè)計(jì)可分為電壓信號(hào)產(chǎn)生部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換測(cè)量部分和控制部分。具體的單元電路包括：濾波電路，信號(hào)放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，LabV IEW的信號(hào)分析與處理，液晶顯示并打印分析結(jié)果。

2.2主要單元電路的設(shè)計(jì)

2.2.1話路濾波電路

一般有源濾波器的設(shè)計(jì)，是根據(jù)所要求的幅頻特性，尋找可實(shí)現(xiàn)的有理函數(shù)進(jìn)行逼近設(shè)計(jì)。濾波電路如圖2所示，當(dāng)取R1=R 2=8.2K,C1=6800P,C2=680P,r1,r2分別為47k和27k時(shí)，得到其頻率范圍200HZ—100KHZ，其通帶增益為8DB。

圖2　話路濾波電路

2.2.2放大模塊設(shè)計(jì)

圖3所示為L(zhǎng)M358放大器的放大電路圖。通過調(diào)節(jié)最左端滑動(dòng)變阻器可實(shí)現(xiàn)調(diào)零。通過調(diào)節(jié)R2實(shí)現(xiàn)第一級(jí)放大，通過調(diào)節(jié)R3實(shí)現(xiàn)第二級(jí)放大，總放大倍數(shù)為 G=(R2/R1+1)*(R3/R4+1) 使用時(shí)從5拐角輸入信號(hào)即可從1拐角輸出放大后的信號(hào)。

圖3　LM358放大電路

2.2.3時(shí)鐘芯片模塊

DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片。它能夠提供秒、分、小時(shí)、日、月、年包括星期的信息,并且能夠自動(dòng)調(diào)整月份和閏年。芯片采用了簡(jiǎn)單的I2C 三線通信方式,便于節(jié)省芯片和與之接口的微處理器引腳。它廣泛應(yīng)用于電話傳真便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產(chǎn)品領(lǐng)域下。其電路圖如下：

圖4　時(shí)鐘芯片接口電路

2.2.4顯示模塊

音頻分析儀的顯示模塊提供液晶顯示和PC機(jī)顯示兩種功能。

由于對(duì)音頻設(shè)備進(jìn)行音頻測(cè)量分析時(shí)，需要用到大量的曲線、圖表，在Windows操作系統(tǒng)下的PC機(jī)具有強(qiáng)大的圖形顯示功能，各種顯示控件的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性，因此用PC機(jī)顯示時(shí)域波形信號(hào)頻譜瀑布圖等各種圖形或曲線，用液晶顯示信號(hào)電壓頻率及諧波失真等數(shù)字化的參數(shù)。

OCMJ4X8C液晶顯示模塊與單片機(jī)有兩種連接方法，一種并行通訊，一種是串行通訊。單片機(jī)與液晶并行通訊，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，顯示子程序及工作時(shí)序容易理解，故采用并行通訊。

3.LabVIEW的信號(hào)分析與處理

選擇LabVIEW作為該系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)，主要基于與小考慮：(1)它具有強(qiáng)大的軟件開發(fā)功能，滿足本系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)；(2)有豐富的函數(shù)庫(kù)，使軟件的開發(fā)速度快，實(shí)現(xiàn)容易；(3) LabVIEW是一個(gè)完全開放式的開發(fā)平臺(tái)，可支持文本語(yǔ)言編譯的程序模塊，便于集中個(gè)軟件優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)功能更加完善；(4)圖形化編程方式，簡(jiǎn)單直觀，易于掌握，在較短的時(shí)間里，自行編程，增加系統(tǒng)功能。

對(duì)于采集到計(jì)算機(jī)上的信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字濾波，取出20赫茲至10K赫茲的信號(hào)，首先進(jìn)行快速FFT變換求出音頻信號(hào)的幅頻譜，在根據(jù)幅頻譜運(yùn)算出其自功率譜。利用自功率譜求解各頻率分量的功率。并測(cè)量?jī)烧倚盘?hào)的失真度。

圖5、圖6是處理后的部分功率譜。

圖5　

圖6　

4．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7　芯片938程序流程

參考文獻(xiàn)：

[1]胡昌華、張軍波、夏軍等．基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì).西安電子科技大學(xué)出版社。2000.

[2]王金庭、夏春華.音頻信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)[J]．電子測(cè)量技術(shù)，2008.09.

[3]孫曼璐.基于單片機(jī)的音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)[J]．電子制作，2013.10.

[4]李建明.基于單片機(jī)MSP430F5438的音頻信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2015.06.

作者簡(jiǎn)介：

蔣鳴東（1981-），男，漢族，安徽合肥，安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系教師，助教。研究方向：計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

金仁貴(1962-)，男，漢族，安徽樅陽(yáng)人，安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系主任，副教授。研究方向：電路與系統(tǒng)、信號(hào)與信息處理。

項(xiàng)目基金：安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目“卓越人才培養(yǎng)計(jì)劃”（編號(hào)：2013zjjh057），安徽省質(zhì)量工程教學(xué)研究項(xiàng)目“面向‘卓越電子工程師’計(jì)劃的EDA創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)探索與實(shí)踐”（編號(hào)：2014jyxm560）。