音频信号分析仪研究大学生电子设计竞赛山东省成功参赛奖.docx
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音频信号分析仪研究大学生电子设计竞赛山东省成功参赛奖
音频信号分析仪研究
大学生电子设计竞赛山东省成功参赛奖
摘要：
本设计以凌阳16位单片机SPCE061A为核心控制器件，采用外差原理设计并实现频谱分析：
用DDS芯片生成可步进的本机振荡器，AD835做集成混频器，由AD637进行有效值检测，经采样后处理，求出各频率点处的幅值，通过固定算法得出功率。
本系统同时可以实现正弦信号失真度的检测：
正弦信号输入后经频谱分析可求出其基波及各次谐波的幅值，通过算法进行失真度计算。
本系统运行稳定，功能齐全，人机界面友好。
关键字：
频谱分析混频器失真度
Abstract：
thesystemequipsSPCE061AaskernelcontrollerUsingthePrincipleofpoordesignandanalysisofthespectrum.DDSchipcanbegeneratedwiththisstep-oscillator,AD835isusedasintegratedmixer,RMSdetectioncanbethroughaAD637,thesampledsignalaresendintoSPCE061A,educetheamplitudeofeveryfrequencypoint,obtainthepowerbyfixedalgorithm.Thesystemalsocanachievesinusoidalsignaldistortiondetection,afterthesinusoidalinputsignalspectrumanalysiscanbederiveditsfundamentalandharmonicamplitudethroughdistortioncalculationalgorithm.Stableoperationofthesystem,functionalandfriendlyman-machineinterface.
Keywords:
SpectrumAnalysis,IntegratedMixer,DistortionCalculation
一、系统方案
由外差法可以实现音频信号的频谱分析，求出音频信号的电压以及音频信号各频率分量的电压，输入阻抗为50欧，则可以实现对音频信号总功率及其频率分量功率的测量。
将正弦信号输入到该系统中进行频谱分析，求出基波与各次谐波的幅值，由公式一可计算出失真度。
综上所述，本系统中最重要的就是如何实现频谱分析。
以下就对频谱分析的各种方案进行比较。
方案一：
扫频法。
采用外差原理，由本机振荡器产生一定步进频率的信号与输入信号相乘，然后由适当的滤波器将差频分量滤出以代表相应频点的幅度。
改变本机振荡器的步进频率可以实现频率分辨力的改变。
这种方法的优点是扫频范围大，硬件成本低廉，但这种方法对硬件电路要求较高，各模块性能都需要精心设计，且连接在一起整体调试是有一定难度。
方案二：
FFT法。
采用数字方法直接由模拟/数字转换器（ADC）对输入信号取样，在经过FFT处理后获得频谱分析图。
它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。
这种方法是硬件电路简单，主要依靠软件运算，可以提高分辨率。
但缺点是频率越高对ADC和DSP芯片的速度要求越高，相应价格也越昂贵。
根据实际条件和成本上的考虑，在满足题目要求的前提下实现音频信号频率成分的分析和正弦信号失真度的测量，我们选择方案一。
二、理论分析与计算
2.1放大器设计
主要放大部分：
（1）输入信号经跟随器后通过继电器选择控制放大，如果输入信号幅值小于1V则信号不需经过放大直接加到混频器，如果输入信号幅值大于1V则信号经过衰减后才能加到混频器，以保证混频器能正常工作。
（2）从混频器中送出的信号是小于1V的信号，为保证检波精度，需要经过放大后才能通过有效值检波获得其幅值，因此在混频器之后滤波器之前加一级放大。
2.2功率谱测量
输入电阻为Ri=50欧，输入信号电压为Ui，则输入信号的功率P=U^2/R。
由此测出输入信号的电压有效值可以求出输入信号的总功率，输入信号的电压有效值可以直接经过AD637求出有效值之后经单片机A/D采样获得。
测出输入信号某一频率分量的电压有效值可以求出给频率分量的功率，对输入的信号进行频率分析，通过DDS步进产生本机振荡，混频之后经过放大，依次通过带通滤波器、AD637有效值检测、A/D采样可以得出每一个频率分量所对应的幅值A，形成幅度谱，已知幅度A与电压有效值U的关系为U=KA，即可测得输入信号的每一个频率分量的电压。
每一个频率分量所对应的功率在一个坐标图上显示，形成功率谱。
2.3周期性判断方法
理论依据：
周期信号的功率谱密度是离散的，非周期信号的功率谱密度是连续的。
如果输入周期为T的无杂波正弦信号，经过频率分析系统之后在LCD上显示的只有一条在处的幅度谱线，正弦信号的失真度为零。
输入正弦信号中含有杂波，经过频谱分析之后得出的幅度谱在等处会有幅值，此幅度谱对应有一个功率谱。
如果在对应的某些步进频率处功率为零，则认为功率谱为离散的，因此输入信号是周期性的，如果在对应的每一个步进频率处都对应有相应的功率则认为功率谱是连续的，因此输入信号是非周期性的。
三、电路与程序设计
3.1电路设计
3.1.1系统总体框图（见图1）
液晶显示
图1系统总体设计框图
3.2硬件设计
完整电路原理图及部分芯片原理图见附件二
3.2.1单片机最小系统
本系统选用SPCE061A16位单片机作为主控制器，进行数据处理和控制人机交互。
3.2.2振荡器
采用DDS集成芯片AD9851产生正弦波，只需少量外围电路就能构成一个完整的信号源，而且控制方便。
实际测试DDS的芯片所产生的信号波形（10MHz以下）较好，幅度虽频率的升高略有下降，为了满足AD835小信号混频的性能，后接AD603加以衰减。
AD603是一种新型的运算放大器，它不但具有低噪声影响、高频带宽度、稳定性能好的特点，还具有电压控制的可变增益功能。
（见图2）
图2AD9851基本电路图
3.2.3混频器
选用AD835作为乘法器将本振信号和输入信号相乘得到二者频率的和差信号，达到混频的效果，其两路输入信号幅值可达到，对噪声可形成较强的抑制能力，AD835在不同频率值时相对稳定外围电路也相对简单，不需进行复杂的调零调试，乘法器的输出信号幅度会随信号频率的升高而略有增加，很好的弥补了DDS集成芯片AD9851输出信号的幅度随着频率的增加而小幅度降低的这种缺陷。
3.2.4带通滤波
Max267内部含有2个独立的二阶开关滤波电容带通滤波器，它有12个可编程输入端，其中5个用来设置滤波器中心频率，另外七个用来设置滤波器的品质因数Q，因此不需要外接任何元件，仅需要外部时钟就可以实现带通滤波功能，使用极为方便。
（见图3）
图3MAX267基本电路图
3.2.5有效值测量
图4AD637基本电路
AD637是一片真有效值/直流变换集成电路，使用简单，调整方便，稳定时间短，读数准确稳定，输入电压幅度可达7V，峰值系数可达10。
（见图4）
3.3程序设计
通过软件进行数据分析，实现幅频特性曲线中电压有效值的测量及补偿、功率的计算、信号失真度的计算、周期性的判断等功能。
对不同信号及其不同功能的转换通过检测按键的状态来实现，同时为加快扫频和扫描速度系统时钟选择49MHz。
另外，为减少系统误差采用软件校正。
（程序框图见图5主程序主要源程序见附件三）
开始初始化
初始化
显示菜单
判断是否有键按下
N
Key6
复位
Key5暂停
Key8打印
Key7
回放
Key2
音频信号分析
Key1
失真度分析
Key4以频率100Hz步进
Key3以频率20Hz步进
结果送
LCD显示
图5程序框图
//部分源代码
main（）//main函数
{inti,j,k,a;
floatsum;
Init（）;//系统自检和初始化
lcd（0）;//显示欢迎界面
dds（）;//开始扫频
adc（）;//接受ad转换数据
menu0:
lcd
（1）;
IOB0=1;
dhz=IOB8;//IOB8,0--->100hz,1--->20hz
dhz=100-dhz*80;
mode=IOB11;
vmax=ad（0）;
vmax=ad（0）;
while
（1）
{……}
四、测试方案与测试结果
4.1测试方案
在输入信号的频率范围内，需要分别对低频、中频、高频部分进行幅频特性测试，并计算得出功率普，对于信号的频率成分测量分为无限个频率成分与有限个频率成分分析。
在进行以上分析的过程中，周期性、分辨率、灵敏度、失真度的测量均可实现。
4.2测试仪器清单
泰克TDS1002数字示波器；函数发生器；失真度测试仪；VICTORVC980A+数字万用
表。
4.3测试结果
4.3.1音频信号分析
测试条件：
输入信号电压范围100mV~5V,输入信号频率成分范围200Hz~10kHz
（1）输入信号为两个信号的叠加：
峰峰值为2.828V的正弦信号a，峰峰值为1.414V的正弦信号b。
以下为理论计算；
对信号a有效值为1V,对信号b有效值为0.5V，信号a的理论功率P=u*u/R,
Pa=0.02W,信号b的理论功率Pb=0.005W,总功率P=0.025W，部分测试结果测试结果见表一，完整测试结果见附件一。
结果分析；由表一可见各部分功率均在误差允许范围之内，并且测出输入信号由两个周期正弦信号组成，所以可以判断该信号为周期信号。
（2）输入信号为无限个信号的叠加：
输入信号频率为峰峰值为2V频率为1kHz的方波信号，则输入信号的有效值为1V,输入信号理论功率为0.02W，测试结果见表二。
表一两信号输入分析结果
第一组输入信号
第二组输入信号
信号a1频率
信号b1频率
信号a2频率
信号b2频率
输入频率Hz
200
300
900
1k
实测频率Hz
200
300
900
1k
Ua（V）
0.977
0.978
Pa（w）
0.0191
0.01925
误差
4.5%
3.75%
Ub（V）
0.487
0.490
Pb（w）
0.00475
0.0048
误差
5%
4%
U（V）
1.12
1.140
P（w）
0.0255
0.02595
误差
0.2%
3.8%
注：
表中Ua为信号a的有效值，Pa为信号a的功率，Ub为信号b的有效值，Pb为信号b的功率，U为输入信号功率，P为输入信号总功率。
表二多个信号输入分析结果
测得各分量频率Hz
1k
3k
5k
7k
9k
输入信号各参数
电压有效值V
0.9003
0.3001
0.1806
0.1287
0.1
1.016
功率W
0.01611
0.0020
0.0006
0.0003
0.0002
0.01918
误差
1.0%
2.1%
1.4%
0.5%
2.4%
4.03%
4.3.2失真度分析
将信号源产生的三角波作为失真的正弦波输入系统，由系统显示器直接读出失真度为17%。
计算分析理论失真度
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