蔣鳴東 金仁貴

【摘 要】本文以通用計算機的為核心的音頻信號分析儀設計，設計組成包括被測對象、傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器軟件和計算機軟件系統(tǒng)平臺被測信號首先經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，然后由信號調(diào)理器進行去噪、濾波及前級放大等預處理，然后通過集成芯片進行音頻信號的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)通過單片機以串行通信的方式上傳到PC機，經(jīng)具有強大科學計算能力的軟件LABVU分析處理，將分析結(jié)果傳到單片機并通過液晶和打印機進行輸出，成功實現(xiàn)了對音頻信號的頻譜分析、功率分析和正弦信號失真度的測量。

【關(guān)鍵詞】信號采集；頻譜分析；虛擬儀器；正弦信號失真度

1.系統(tǒng)方案選擇與論證

1.1總體設計方案

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

本分析儀以LPC938單片機為核心，聲音模擬信號通過LM358進行信號放大，利用LPC938自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)模擬數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，由單片機通過串行口通信的方式將數(shù)字音頻信號傳給PC機，通過PC機顯示音頻信號并分析結(jié)果。利用LabVIEW強大的科學計算能力，對采集到的信號進行了自相關(guān)和互相關(guān)分析，并對確知信號和隨機信號進行了頻譜分析和功率譜分析，實現(xiàn)了音頻信號分析儀的設計。并將分析結(jié)果下傳51單片機，由液晶顯示、打印機打印。

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)行時間只需2--4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件。8KB可擦除FLASH程序存儲器，具有1KB扇區(qū)和64字節(jié)頁。256字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器和一個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個結(jié)果寄存器，6種工作模式，3種轉(zhuǎn)換啟動模式，在9MHZ的A/D時鐘下，4US的轉(zhuǎn)換時間，非常適合本設計需求。

本設計比較注重實用性，在運放中采用單電源供電的雙運算放大器LM358。LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，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算放大器的場合。其他功能模塊采用經(jīng)濟實用的器件。

2.系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件的基本組成部分

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

2.2 主要單元電路的設計

2.2.1話路濾波電路

一般有源濾波器的設計，是根據(jù)所要求的幅頻特性，尋找可實現(xiàn)的有理函數(shù)進行逼近設計。濾波電路如圖2所示，當取R1=R2=8.2K，C1=6800P，C2=680P，r1，r2分別為47k和27k時，得到其頻率范圍200HZ—100KHZ，其通帶增益為8DB。

2.2.2 放大模塊設計

圖3所示為LM358放大器的放大電路圖。通過調(diào)節(jié)最左端滑動變阻器可實現(xiàn)調(diào)零。通過調(diào)節(jié)R2實現(xiàn)第一級放大，通過調(diào)節(jié)R3實現(xiàn)第二級放大，總放大倍數(shù)為 G=（R2/R1+1）*（R3/R4+1） 使用時從5拐角輸入信號即可從1拐角輸出放大后的信號。

2.2.3時鐘芯片模塊

DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充電時鐘芯片。它能夠提供秒、分、小時、日、月、年包括星期的信息，并且能夠自動調(diào)整月份和閏年。芯片采用了簡單的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)品領域下。其電路圖如下：

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機顯示兩種功能。

由于對音頻設備進行音頻測量分析時，需要用到大量的曲線、圖表，在Windows操作系統(tǒng)下的PC機具有強大的圖形顯示功能，各種顯示控件的設計具有很大的靈活性，因此用PC機顯示時域波形信號頻譜瀑布圖等各種圖形或曲線，用液晶顯示信號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有兩種連接方法，一種并行通訊，一種是串行通訊。單片機與液晶并行通訊，程序設計簡單，顯示子程序及工作時序容易理解，故采用并行通訊。

3.LabVIEW的信號分析與處理

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

對于采集到計算機上的信號，進行數(shù)字濾波，取出20赫茲至10K赫茲的信號，首先進行快速FFT變換求出音頻信號的幅頻譜，在根據(jù)幅頻譜運算出其自功率譜。利用自功率譜求解各頻率分量的功率。并測量兩正弦信號的失真度。

參考文獻：

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