简易数字显示声信号采集测量仪组Word文件下载.docx

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声音信号的频率范围20Hz～20KHz，声级测量范围：

0dB～99dB，精确度：

0.1dB。

测量最大声级读数的声音信号的频率,准确度：

优于10-5.。

能记录采集到的最大声级读数，并存储5个且在预置10秒～10分钟时间内，记录从大到小10个声级计出现时间。

通过分析，我们认为设计的重难点在于声级测量范围和精确度、频率的测量。

通过仔细的推敲，我们做了如下的方案比较与选择。

2．方案的比较与选择

1）声源的产生

鉴于声源频率和声级的可调，本设计中声源的产生采用可调输出频率的信号源和扬声器构成。

可调输出频率的信号的产生一般方法有：

压控振荡器、锁相环技术、数字直接合成技术。

方案一：

压控振荡器（VCO）。

其原理框图如图1－1，此方法可达到很高的频率，且通过锁相环也提高了频率稳定度和精度，但是由于题目要求产生的频率范围大，单个VCO振荡器无法输出所要求的全部频率段，系统调试和制作很复杂。

图1－1VCO产生本振信号原理框图

方案二：

采用数字锁相频率合成方案。

基本原理框图如图1－2所示。

通过锁相环技术利

图1－2锁相频率合成框图

用反馈电路使得输出频率与输入频率之间形成恒定的相位差，而改变分频值或参考频率可以实现输出频率的精度，同时稳定度高，也可以达到步进的要求，但难于调试，不易于控制。

方案三：

采用数字直接合成（DDFS）技术。

DDS的基本原理框图如图1－3所示。

其主要组成为：

相位累加器、波形存储器、D/A转换器和低通。

基本工作原理是：

在参考时钟信号的控制下，通过由频率控制字K控制的相位累加器输出相位码，将存储于波形存储器中的波形量化采样数据值按一定的规律读出，经D/A转换和低通滤波后输出正弦信号。

DDS可以产生高精度与高纯度的频率信号，

图1－3DDS原理框图

鉴于以上分析，本设计采用方案三。

2）测频

方案一：

直接测频法。

利用频率测量的定义，在确定的闸门时间内，利用计数器记录待测信号通过的周期数，从而计算出待测信号的频率。

此方案对低频信号测量的精度很低，较适合于高频信号的测量。

测周法，即以待测信号为门限，用计数器记录在此门限内的高频标准时钟脉冲数，从而确定待测信号的频率。

当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时可以获得很高的精度，而被测信号频率过高时由于测量时间不够会有精度不够的问题，适用于低频信号的测量。

相关计数测频法（等精度测频法）。

这种方法和测周法很相似，不同的是测周法测量时间为被测信号的一个周期，不是固定值，测较高频率时测量时间过短，造成精度不够；

而等精度测量法的测量时间并不是被测信号的一个周期，而是人为设定的一段时间。

闸门的开启和闭合由被测信号的上升沿来控制，测量精度与被测信号频率无关，因而可以保证在整个测量频段内的测量精度保持不变。

鉴于声源的频率范围为20Hz～20KHz,本设计将方案二和方案三结合使用，即20Hz～1KHz采用方案二，1KHz～20KHz采用方案三。

二、系统设计和理论分析

1．系统总体框图

系统总体框图如图2－1所示，主要由声源电路、声音信号采集电路、控制处理电路和显示电路组成。

单片机控制FPGA内DDS模块通过DA输出信号，再由功放放大后驱动扬声器构成声源。

其中另一DA给输出信号的DA提供基准，从而实现程控声音信号的大小。

声音通过Mic采进后，再经放大，分别进入整形电路和A计权网络，整形后的信号输入FPGA中测频，同时从A计权网络出来的信号经有效值转换后由AD采样送予单片机进行处理，最后将处理信息在液晶上显示出来。

图2－1系统总体框图

2．理论分析与计算

1）声级的计算

在研制声级计的过程中，人们通过无数的实验，最后终于发现人耳对于声音响度的感觉是与声强强度的对数成比例关系。

为此，便引用声压比的对数来表示声音的大小，即声压级。

引用声压级的概念后，就把声压绝对值达百万倍的变化范围，变成0～130dB的变化范围之内，从而为声级计的设计奠定了基础。

根据上述概念可以得出：

声级计是一种以23为单位指示被测声压级和计权声压级的一种仪器，并按声压比的对数表示声音的大小即声级。

从而建立了声级计的工作原理，即声压级的数学表示式：

（1），

（1）式中：

为声压级，单位为dB；

为参考声压，其值为

Pa；

P为被测声压的有效值，单位为Pa。

而被测声压的有效值P与被测瞬时声压

又有下述关系式

（2），

同时，声级计对声级的测量是在声电换能后采用电测的方法来实现的，即用传声器将被测声压

转换成相应的电压

。

其转换的关系式为：

（3），

式中：

S为传声器的声压灵敏度，单位

将式

（1）、

（2）代入式（3），整理后得

，C为常数。

式（4）建立了声压级与传声器输出电压有效值的关系，如按标准规定对电压进行模拟人耳特性的时间计权和频率计权处理，即可得到所谓的计权声压级即声级。

2）精度测频法

图2－2等精度测量原理时序图

上图所示为等精度测频法的测量原理时序图，等精度测频法同时使用两个计数器分别对待测信号频率

和频标信号频率

在设定的精确门内进行计数，精确门与预置门门限时间相同，

的上升沿触发精确门。

用两个计数器在精确门内对

和

分别计数，若两个计数器的计数值分别为M和N，则待测信号的频率为：

三、主要功能电路的设计

1.声源电路

1）FPGA内DDS模块

本设计声源电路中的信号源采用DDS方案。

单片机给FPGA内累加器送频率控制字，累加器累加后输入ROM中查询波表输出，电路如图3－1所示。

图3－1FPGA内DDS模块

2）DA转换电路

由ROM输出的信号输入DAC0800中进行数模转换，进而输出稳定的正弦波，DAC0800电路如下图3－2所示。

图3－2DAC0800电路

3）功放电路

由于从DAC0800输出的信号的带负载能力弱，不足以驱动扬声器，因而再加一级功放电路，如图3－3所示。

图3－3扬声器驱动电路

2.信号采集处理电路

1）前级放大电路

声音信号由麦克风采集，经必要的阻抗变换后，其信号依然较小，需要放大，放大电路如图3－4所示。

图3－4放大电路

2）A计权网络

信号经放大后，根据声级计的原理，需加一级计权网络，本设计采用最常用的A计权网络。

其电路如图3－5所示。

图3－5500hz-15khz带通滤波器电路（A计权网络）

3）有效值转换电路

本设计中采用的是AD637进行有效值测量，电路如图12所示。

图3－6有效值转换电路

4）AD转换电路

本设计采用8通道12位的MAX197实现A/D转换。

其最小分辨精度可以达到5/4096=1.22mV，有0～5V、0～10V、-5～5V、-10～10V四种量程，外围电路简单，使用方便。

电路如图3－7所示。

图3－7MAX197采样电路

5）比较整形电路

由于要测量信号的频率，而输入的信号为正弦信号，需经比较器比较整形。

本设计采用的是LM339进行整形。

从LM339输出的信号的沿上升不够陡，直接输入FPGA进行测频的误差大，因而在整形后加施密特触发器。

电路如图3－8所示。

图3－8比较整形电路

6）测频模块

对于信号频率的测量，本设计采用测周法和等精度测频法相结合，在FPGA内构建测频模块，如图3－9所示。

图3－9测频模块

四、系统软件的设计

1．软件设计思想

单片机的软件设计上，我们采用了软件工程的设计思想。

整个编程过程，结构化与层次化思想贯穿始终。

结构化不仅可以提高程序的可读性，也降低了程序的冗余程度。

在人机界面上，我们力求界面的防弹性，做到输入错误的保护，误操作的复原，操作的提示。

这样，使得整个系统的操作变得十分的人性化。

2．软件流程图

软件主要实现了人机界面的交互和计算。

包括提示信息的显示，系统状态的选择，参数的输入，输入参数的显示，系统的启动与复位。

这样，充分发挥了单片机易于智能化的特点，使得人机界面十分友好。

系统软件流程图如图4－1所示

图4－1程序流程图

五、系统抗干扰措施

在系统设计过程中，为了提高系统性能指标，同时为了少走弯路和节省时间，我们充分

考虑了抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。

1．电源抗干扰措施

我们尽量在所有IC器件的电源输入处采用一个0.1uF的磁片电容和一个10uF的电解电容并联接地，形成一个电荷池，有效地抑制了IC对电源的影响。

电容连线靠近电源端并尽量粗短，一般我们都是直接用焊锡连接。

2．接地技术

本系统中，模拟电路和数字电路共存，因此我们将所有的模拟地和数字地分别相连，最后将电路中的模拟地和数字地与电源地一点汇集。

六、测试数据与分析

1．测试仪器及型号

SG1733SB3A直流稳压稳流电源

TektronixTDS1002数字示波器

2．测试原理与方法

将自制系统和示波器按图6－1连接，给系统供电，人为设置系统工作状态。

观察示波器上显示的波形和读数，并做记录。

同时将预置值和测量值记录下来，并作比较。

图6－1

3．测试数据

声级测量如下表表一

次数

F=150Hz

f=800Hz

f=3KHz

f=20KHz

一

24.0

73.7

97.5

23.7

二

24.3

73.8

97.2

23.3

三

24.2

74.0

97.3

表一声级的测量

频率的测量如下表表二

声源的频率

150Hz

2KHz

10KHz

18KHz

实测频率

149hz

1999.0hz

9999.0hz

18.063Khz

4．数据分析

通过系统测试，得到系统各方面的性能如表1所示。

基本部分

发挥部分

实现情况

声级测量：

测量声源的声级，声音信号的频率范围30Hz～10KHz，声级测量范围：

1dB。

将测量声音的频率范围扩展为20Hz～20KHz。

声级精确度达到0.1dB。

声音信号的频率范围20Hz～20KHz实现，声级测量范围：

0dB～99dB，精度不够

声源信号频率测量：

1．当声源发出单一频率信号时，能测量声源发出的最大声级读数的声音信号的频率，测量频率准确度：

优于10-5；

2．能对30Hz～10KHz内任意预置的信号频率进行声级测试，预置采用步进方式，步进最小100Hz；

3．能记录采集到的最大声级读数，并存储5个。

将声音频率选择的步进值变为10Hz。

测频实现，精度10-4，声音频率步进10Hz实现，记录采集到的最大声级读数，并存储5个实现。

拥有量程自动校准功能和超量程自动报警功能。

在选择声源信号频率后能自动检测有无该频率段的声音信号，并给出报警信号。

实现

能在预置10秒～10分钟时间内，记录从大到小10个声级计出现时间。

未实现

其他特色功能

无

七、总结分析与结论

本系统较好的完成了题目基本部分及发挥部分的部分要求，系统整体性能良好。

其中一些要求未能实现，如精度的要求0.1dB。

八、参考文献

[1]钟国策，《声级计的工作原理》，电声技术，2002年第1期总第199期，65～66

[2]蔡天寅、潘祖善、马殿光、顾薛君，《一种智能声级计的设计》，仪表技术，1998年第一期，9～11

[3]杨成，《智能声级计的设计与分析》，仪表技术与传感器，1998年第5期，20～21，35。

[4]吴步宁、马庆卫，《智能化多功能声级计》，检测技术，1994年第4期，30～33