音頻分析儀課件

1、全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽2007年A題音頻分析儀設(shè)計(jì)流程1、設(shè)計(jì)需求分析2、方案論證3、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4、系統(tǒng)調(diào)試需求分析1、市場(chǎng)調(diào)查2、功能分析3、指標(biāo)參數(shù)確定方案論證1、功能分析2、指標(biāo)分析3、功能細(xì)化4、系統(tǒng)原理確定5、具體功能模塊劃分6、器件選定設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)1、具體電路設(shè)計(jì)2、程序設(shè)計(jì)3、電路原理圖和仿真4、PCB圖5、PCB制作6、器件焊接調(diào)試1、硬件調(diào)試2、程序調(diào)試3、功能模塊單獨(dú)調(diào)試4、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)2007題目一、任務(wù)設(shè)計(jì)、制作一個(gè)可分析音頻信號(hào)頻率成分，并可測(cè)量正弦信號(hào)失真度的儀器。二、要求1基本要求（1）輸入阻抗：50（2）輸入信號(hào)電壓范圍（峰-峰值）：100mV5V（3）輸入信號(hào)包含的頻率成分范

2、圍：200Hz10kHz（4）頻率分辨力：100Hz（可正確測(cè)量被測(cè)信號(hào)中，頻差不小于100Hz的頻率分量的功率值。）（5）檢測(cè)輸入信號(hào)的總功率和各頻率分量的頻率和功率，檢測(cè)出的各頻率分量的功率之和不小于總功率值的95%；各頻率分量功率測(cè)量的相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于10%，總功率測(cè)量的相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于5%。（6）分析時(shí)間：5秒。應(yīng)以5秒周期刷新分析數(shù)據(jù)，信號(hào)各頻率分量應(yīng)按功率大小依次存儲(chǔ)并可回放顯示，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示信號(hào)總功率和至少前兩個(gè)頻率分量的頻率值和功率值，并設(shè)暫停鍵保持顯示的數(shù)據(jù)。2發(fā)揮部分（1）擴(kuò)大輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，提高靈敏度。（2）輸入信號(hào)包含的頻率成分范圍：20Hz10kHz。（3）

3、增加頻率分辨力20Hz檔。（4）判斷輸入信號(hào)的周期性，并測(cè)量其周期。（5）測(cè)量被測(cè)正弦信號(hào)的失真度。（6）其他。三、說明1電源可用成品，必須自備，亦可自制。2設(shè)計(jì)報(bào)告正文中應(yīng)包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖、主要的測(cè)試結(jié)果。完整的電路原理圖、重要的源程序、和完整的測(cè)試結(jié)果用附件給出。音頻分析儀工作原理、功能：分析在聲音頻段（20Hz20KHz）的頻率成分。即該頻段中各頻點(diǎn)的幅值。得到的是某信號(hào)的頻率組成成分。、核心方法：將音頻信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域。頻譜圖概念在通信中處理的信號(hào)有話音、數(shù)據(jù)(電碼)、圖像等。這些信號(hào)最后都轉(zhuǎn)換為隨著時(shí)間而隨機(jī)變化的電壓或電流。 個(gè)規(guī)則的非正弦信號(hào)，不論

4、它是周期性的還是非周期性的，都可以分解為一系列頻率不同的正弦（或余弦)分量。圖1所示的非正弦電流波形中，可以分解為兩個(gè)頻率不同的正弦波，其中頻率為l000Hz的正弦波，振幅是4毫伏，初相角是+90。；另一個(gè)頻率為3000Hz的正弦波，振幅是1毫伏，初相角是-90。 信號(hào)中分解出的所有正弦波，可以按其頻率高低依次排列，將各正弦波的振幅，按其頻率高低順序加以排列，就可以得到信號(hào)的振幅頻譜，簡(jiǎn)稱幅譜。將各正弦波的初相角，按其頻率順序加以排列，就可以得到信號(hào)的相位頻譜，簡(jiǎn)稱相譜。頻譜是幅譜和相譜的總稱。由于在大多數(shù)情況下知道信號(hào)的幅譜就夠了，所以習(xí)慣上提到頻譜一般都是指幅譜，否則就需要作相應(yīng)的說明。信

5、號(hào)的頻譜可以用圖2表示，這種圖稱為頻譜圖。圖中縱軸的線段稱為譜線，它的長(zhǎng)度代表正弦波的振幅A或相角a，它的橫軸上所處的位置代表該正弦波的頻率f。 指標(biāo)分析1、輸入阻抗：輸入阻抗是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個(gè)電壓源U，測(cè)量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個(gè)電阻的兩端，這個(gè)電阻的阻值，就是輸入阻抗。輸入阻抗跟一個(gè)普通的電抗元件沒什么兩樣，它反映了對(duì)電流阻礙作用的大小。對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的電路，輸入阻抗越大，則對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)信號(hào)源有影響；而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對(duì)電流源的負(fù)載就越輕。因此，我們可以這樣認(rèn)為

6、：如果是用電壓源來驅(qū)動(dòng)的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來驅(qū)動(dòng)的，則阻抗越小越好（注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問題。另外如果要獲取最大輸出功率時(shí)，也要考慮阻抗匹配問題2、頻率分辨力 ：頻譜儀所能分辨的最小頻率間隔。 FFT中第一個(gè)點(diǎn)表示直流分量（即0Hz），而最后一個(gè)點(diǎn)N則表示采樣頻率Fs，這中間被N-1個(gè)點(diǎn)平均分成N等份，每個(gè)點(diǎn)的頻率依次增加。例如某點(diǎn)n所表示的頻率為：Fn=(n-1)*Fs/N。由上面的公式可以看出，F(xiàn)n所能分辨到頻率為為Fs/N，如果采樣頻率Fs為1024Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn)，則可以分辨到1Hz。1024Hz的采樣率采樣1024點(diǎn)，剛好是

7、1秒，也就是說，采樣1秒時(shí)間的信號(hào)并做FFT，則結(jié)果可以分析到1Hz，如果采樣2秒時(shí)間的信號(hào)并做FFT，則結(jié)果可以分析到0.5Hz。如果要提高頻率分辨力，則必須增加采樣點(diǎn)數(shù)，也即采樣時(shí)間。頻率分辨率和采樣時(shí)間是倒數(shù)關(guān)系。方案討論 方案一：以模擬濾波器為基礎(chǔ)的模擬式頻譜分析儀。有并行濾波法、掃描濾波法、小外差法等。因?yàn)槭艿侥M濾波器濾波性能的限制，此種方法對(duì)我們來說實(shí)現(xiàn)起來非常困難。 方案二：以FFT為基礎(chǔ)的的數(shù)字式頻譜分析儀。通過信號(hào)的頻譜圖可以很方便的得到輸入信號(hào)的各種信息，如功率譜、頻率分量以及周期性等。外圍電路少，實(shí)現(xiàn)方便，精度高。信號(hào)經(jīng)過FFT變換后可以表示成實(shí)現(xiàn)方法、使用單片機(jī)、使用

8、、使用如何得到數(shù)字信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器：、轉(zhuǎn)換幅度：輸入模擬信號(hào)的最高電平。、轉(zhuǎn)換精度：的輸出數(shù)據(jù)寬度。、轉(zhuǎn)換頻率：采樣頻率，遵循奈奎斯特采樣定理?？紤]到頻率分辨率，依照公式： Fn=(n-1)*Fs/N，確定和Fn即可得到Fs。分辨力FFT點(diǎn)數(shù)FFT測(cè)量頻率*二次采樣速度原始采樣速度100Hz256點(diǎn)12.8K25.6K76.8K50Hz512點(diǎn)12.8K25.6K76.8K20Hz1024點(diǎn)10.24K20.24K60.72K10Hz2048點(diǎn)10.24K20.24K60.72K采樣前的信號(hào)處理、抗混疊濾波：采樣序列的頻譜是被采樣模擬信號(hào)頻譜的周期延拓，當(dāng)采樣頻率不滿足奈奎斯特采樣定理時(shí)，就會(huì)發(fā)

9、生頻譜的混疊，使得采樣后的序列信號(hào)頻譜不能真實(shí)的反映原信號(hào)的頻譜。 。所以要將不必要的信號(hào)頻率成分濾除。使用集成運(yùn)放搭建的有源濾波電路。也可使用專用芯片。、小信號(hào)放大使用集成運(yùn)放搭建放大電路。（）有效帶寬（）放大倍數(shù)選擇、固定倍數(shù)、可變倍數(shù)功率計(jì)算各次諧波功率譜為： 帕斯瓦爾定律：周期信號(hào)平均功率=直流、基波及各次諧波分量有效值的平方和 也就是說，時(shí)域和頻域的能量是守恒。 失真度測(cè)量失真度可以被定義為被測(cè)信號(hào)中各次諧波的能量之和與被測(cè)信號(hào)中基波的能量之比的平方根。 器件選擇根據(jù)上面方案論證和參數(shù)分析后得到的技術(shù)指標(biāo)選擇器件?？梢缘剑?或百度，GOOGLE上搜索器件。具體實(shí)現(xiàn)1、放大電路2、ADC及抗混疊濾波電路需考慮的問題1、A