基于通用計算機的音頻信號分析儀設計

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、信號調理、數據采集、虛擬儀器軟件和計算機軟件系統平臺被測信號首先經傳感器轉化為電信號，然后由信號調理器進行去噪、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轉換并將數據通過單片機以串行通信的方式上傳到PC機，經具有強大科學計算能力的軟件LABVU分析處理，將分析結果傳到單片機并通過液晶和打印機進行輸出，成功實現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。

【關鍵詞】信號采集；頻譜分析；虛擬儀器；正弦信號失真度

1.系統方案選擇與論證

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，筆者利用現有技術與設備以及考慮較高性價比，采用轉換速度幾十微秒的AD轉換芯片和通用計算機構成，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轉換功能實現模擬數字信號的轉換，由單片機通過串行口通信的方式將數字音頻信號傳給PC機，通過PC機顯示音頻信號并分析結果。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和互相關分析，并對確知信號和隨機信號進行了頻譜分析和功率譜分析，實現了音頻信號分析儀的設計。并將分析結果下傳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構，指令執行時間只需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扇區和64字節頁。256字節RAM數據存儲器和一個512字節附加片內RAM，以及512字節片內用戶數據EEPROM存儲區。并包含8輸入多路10位A/D轉換器，轉換精度高，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轉換器，8個結果寄存器，6種工作模式，3種轉換啟動模式，在9MHZ的A/D時鐘下，4US的轉換時間，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內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，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。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濟實用的器件。

2.系統的硬件設計與實現

2.1 系統硬件的基本組成部分

本設計可分為電壓信號產生部分、信號轉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轉換電路，LabV IEW的信號分析與處理，液晶顯示并打印分析結果。

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，是根據所要求的幅頻特性，尋找可實現的有理函數進行逼近設計。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。通過調節最左端滑動變阻器可實現調零。通過調節R2實現第一級放大，通過調節R3實現第二級放大，總放大倍數為 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，并且能夠自動調整月份和閏年。芯片采用了簡單的I2C 三線通信方式，便于節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字化的參數。

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作為該系統的軟件開發平臺，主要基于與小考慮：（1）它具有強大的軟件開發功能，滿足本系統的軟件開發平臺；（2）有豐富的函數庫，使軟件的開發速度快，實現容易；（3）LabVIEW是一個完全開放式的開發平臺，可支持文本語言編譯的程序模塊，便于集中個軟件優勢，使系統功能更加完善；（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，增加系統功能。

對于采集到計算機上的信號，進行數字濾波，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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