音頻信號(hào)分析儀9.6.1

1、1音頻信號(hào)分析儀音頻信號(hào)分析儀摘要：本系統(tǒng)利用時(shí)鐘頻率為100Mbps的高速C8051F120單片機(jī)作為核心處理器，配合FPGA設(shè)計(jì)工具，制作完成本音頻信號(hào)分析儀。系統(tǒng)主要由7個(gè)模塊組成：信號(hào)輸入模塊，程控增益電路模塊，數(shù)字濾波（窗函數(shù)）模塊，信號(hào)采集模塊，DFFT運(yùn)算模塊，頻譜圖顯示模塊和人機(jī)接口模塊。前端利用FPGA通過(guò)高速高精度的AD對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集，采集后的信號(hào)首先由FPGA進(jìn)行數(shù)字濾波，然后將處理后的數(shù)據(jù)送入到單片機(jī)進(jìn)行離散

2、快速傅里葉變換(DFFT)。由變換后的頻譜可以計(jì)算出各頻率分量的幅值最終求出總功率和各頻率分量的功率。同時(shí)，經(jīng)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)又被送到FPGA，通過(guò)高速DA送示波器顯示各頻率分量的頻譜。本系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試，有電壓測(cè)試范圍寬、頻率分辨力高、精度高、誤差小、運(yùn)行穩(wěn)定和人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：C8051F120；FPGA；音頻信號(hào)分析儀；DFFT；窗函數(shù)；頻譜；功率3理論分析與計(jì)算2.12.1放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)輸入阻抗系統(tǒng)要求輸

3、入阻抗50，本系統(tǒng)選用了高輸入阻抗的OP07精密放大器，在其輸入端并?入一50電阻，通過(guò)計(jì)算可得出輸入阻抗RIN=。?5050???(2)信號(hào)輸入電壓范圍為了擴(kuò)大信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，提高靈敏度，電路設(shè)計(jì)采用PGA103和PGA205級(jí)聯(lián)，可使其輸入電壓(峰峰值)范圍從10mV15V。同時(shí)，單片機(jī)ADC輸出實(shí)現(xiàn)自動(dòng)程控增益可調(diào)。:(3)輸入信號(hào)頻率范圍為了擴(kuò)大信號(hào)頻率輸入范圍，降低高頻成份的干攏，電路設(shè)計(jì)采用四階低通濾波器，使其截止頻率為10K

4、HZ，可使10KHz以內(nèi)有很好的線性，在超出范圍得到迅速衰減.。同時(shí)，為了抑制定點(diǎn)DFFT時(shí)出現(xiàn)頻譜泄露，在FPGA內(nèi)部加窗函數(shù)，使其這一現(xiàn)象得到較好的改善，可使輸入信號(hào)頻率范圍從20Hz20KHz。:2.22.2功率測(cè)量方法功率測(cè)量方法對(duì)于任意區(qū)間內(nèi)的信號(hào)平均功率，表示為式(11)式(11)12lim|[]|21NPxnNxnN????????:上式表明：連續(xù)時(shí)間信號(hào)的功率是它離散后各點(diǎn)幅值的平方和除以它的采樣點(diǎn)數(shù)，可得出信號(hào)在時(shí)域的

5、總功率.信號(hào)的能量密度譜可以用帕斯瓦爾關(guān)系式（12）式（12）11122|[]||[]|00NNxnxkNnk???????由式（11）和式（12）可以計(jì)算出信號(hào)在頻域中的功率，表示為式（13）式（13）112|[]|0NPxkNNk?????上式表明：由各頻率分量的幅值可以計(jì)算出各頻率分量的功率。2.32.3周期性判斷方法周期性判斷方法任意隨機(jī)連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)，進(jìn)行DFT變換后為x(k，可以用式(14)式（14）10()()Nkn