基于通用计算机的音频信号分析仪设计
2016-08-10蒋鸣东金仁贵安徽工业经济职业技术学院
蒋鸣东 金仁贵 / 安徽工业经济职业技术学院
基于通用计算机的音频信号分析仪设计
蒋鸣东 金仁贵 / 安徽工业经济职业技术学院
【摘 要】本文以通用计算机的为核心的音频信号分析仪设计，设计组成包括被测对象、传感器、信号调理、数据采集、虚拟仪器软件和计算机软件系统平台被测信号首先经传感器转化为电信号，然后由信号调理器进行去噪、滤波及前级放大等预处理，然后通过集成芯片进行音频信号的采集和模数转换并将数据通过单片机以串行通信的方式上传到PC机，经具有强大科学计算能力的软件LABVU分析处理，将分析结果传到单片机并通过液晶和打印机进行输出，成功实现了对音频信号的频谱分析、功率分析和正弦信号失真度的测量。
【关键词】信号采集；频谱分析；虚拟仪器；正弦信号失真度
1.系统方案选择与论证
1.1总体设计方案
本设计以计算机为中心的音频信号分析仪，采集的信号在几十赫兹到十千赫兹范围内，笔者利用现有技术与设备以及考虑较高性价比，采用转换速度几十微秒的AD转换芯片和通用计算机构成，原理如图1所示。
本分析仪以LPC938单片机为核心，声音模拟信号通过LM358进行信号放大，利用LPC938自带的A/D转换功能实现模拟数字信号的转换，由单片机通过串行口通信的方式将数字音频信号传给PC机,通过PC机显示音频信号并分析结果。利用LabVIEW强大的科学计算能力，对采集到的信号进行了自相关和互相关分析，并对确知信号和随机信号进行了频谱分析和功率谱分析，实现了音频信号分析仪的设计。并将分析结果下传51单片机，由液晶显示、打印机打印。
P89LPC938是一款单片封装的微控制器，适合于要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。它采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2--4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。8KB可擦除FLASH程序存储器，具有1KB扇区和64字节页。256字节RAM数据存储器和一个512字节附加片内RAM,以及512字节片内用户数据EEPROM存储区。并包含8输入多路10位A/D转换器，转换精度高，运算速度快，另外P89LPC938还自带10位8路输入的逐次逼近式A/D转换器，8个结果寄存器，6种工作模式，3种转换启动模式，在9MHZ的A/D时钟下，4US的转换时间，非常适合本设计需求。
本设计比较注重实用性，在运放中采用单电源供电的双运算放大器LM358。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。其他功能模块采用经济实用的器件。
2．系统的硬件设计与实现
2.1系统硬件的基本组成部分
本设计可分为电压信号产生部分、信号转换测量部分和控制部分。具体的单元电路包括：滤波电路，信号放大电路，A/D转换电路，LabV IEW的信号分析与处理，液晶显示并打印分析结果。
2.2主要单元电路的设计
2.2.1话路滤波电路
一般有源滤波器的设计，是根据所要求的幅频特性，寻找可实现的有理函数进行逼近设计。滤波电路如图2所示，当取R1=R 2=8.2K,C1=6800P,C2=680P,r1,r2分别为47k和27k时，得到其频率范围200HZ—100KHZ，其通带增益为8DB。
图2 话路滤波电路
2.2.2放大模块设计
图3所示为LM358放大器的放大电路图。通过调节最左端滑动变阻器可实现调零。通过调节R2实现第一级放大，通过调节R3实现第二级放大，总放大倍数为 G=(R2/R1+1)*(R3/R4+1) 使用时从5拐角输入信号即可从1拐角输出放大后的信号。
图3 LM358放大电路
2.2.3时钟芯片模块
DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片。它能够提供秒、分、小时、日、月、年包括星期的信息,并且能够自动调整月份和闰年。芯片采用了简单的I2C 三线通信方式,便于节省芯片和与之接口的微处理器引脚。它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域下。其电路图如下：
图4 时钟芯片接口电路
2.2.4显示模块
音频分析仪的显示模块提供液晶显示和PC机显示两种功能。
由于对音频设备进行音频测量分析时，需要用到大量的曲线、图表，在Windows操作系统下的PC机具有强大的图形显示功能，各种显示控件的设计具有很大的灵活性，因此用PC机显示时域波形信号频谱瀑布图等各种图形或曲线，用液晶显示信号电压频率及谐波失真等数字化的参数。
OCMJ4X8C液晶显示模块与单片机有两种连接方法，一种并行通讯，一种是串行通讯。单片机与液晶并行通讯，程序设计简单，显示子程序及工作时序容易理解，故采用并行通讯。
3.LabVIEW的信号分析与处理
选择LabVIEW作为该系统的软件开发平台，主要基于与小考虑：(1)它具有强大的软件开发功能，满足本系统的软件开发平台；(2)有丰富的函数库，使软件的开发速度快，实现容易；(3) LabVIEW是一个完全开放式的开发平台，可支持文本语言编译的程序模块，便于集中个软件优势，使系统功能更加完善；(4)图形化编程方式，简单直观，易于掌握，在较短的时间里，自行编程，增加系统功能。
对于采集到计算机上的信号，进行数字滤波，取出20赫兹至10K赫兹的信号，首先进行快速FFT变换求出音频信号的幅频谱，在根据幅频谱运算出其自功率谱。利用自功率谱求解各频率分量的功率。并测量两正弦信号的失真度。
图5、图6是处理后的部分功率谱。
图5
图6
4．系统软件设计
图7 芯片938程序流程
参考文献：
[1]胡昌华、张军波、夏军等．基于MATLAB的系统分析与设计.西安电子科技大学出版社。2000.
[2]王金庭、夏春华.音频信号分析仪的设计[J]．电子测量技术，2008.09.
[3]孙曼璐.基于单片机的音频信号分析仪设计[J]．电子制作，2013.10.
[4]李建明.基于单片机MSP430F5438的音频信号分析仪的设计[J]．机械制造与自动化，2015.06.
作者简介：
蒋鸣东（1981-），男，汉族，安徽合肥，安徽工业经济职业技术学院电子系教师，助教。研究方向：计算机控制，计算机辅助设计。
金仁贵(1962-)，男，汉族，安徽枞阳人，安徽工业经济职业技术学院电子系主任，副教授。研究方向：电路与系统、信号与信息处理。
项目基金：安徽省质量工程项目“卓越人才培养计划”（编号：2013zjjh057），安徽省质量工程教学研究项目“面向‘卓越电子工程师’计划的EDA创新设计能力培养探索与实践”（编号：2014jyxm560）。
