音频信号分析仪

引言

音频信号分析仪利用频谱分析原理来分析被测信号的频率、频谱及波形。常用的频谱分析方法有：扫频法、数字滤波法、FFT法。这里提出一种基于FFT方法的音频信号分析仪设计方案，通过快速傅里叶变换(FFT)把被测的音频信号由时域信号转换为频域信号，将其分解成分立的频率分量，在此基础上对其进行各种分析，达到与传统频谱分析仪同样效果。该系统设计可应用于音频制作、信号分析等领域，具有一定的科学价值和实用价值。

2 方案论证

2．1 前级信号调理方案

考虑到尽量扩大信号动态范围，又为了保证测量精度，尽量减小通道间干扰，该系统设计采用多路多级放大器对信号放大不同的固定倍数，使信号达到A／D采样精度范围，在数据处理时再缩小相应倍数，从而得到信号正确幅值。该方案通道间干扰小，但小信号放大硬件部分较复杂。

2．2 频率分量检测方案

该系统设计采用频域处理法。先对信号A／D采样，再运用FFT处理，可得信号频谱，则可方便得到各频率分量的幅值和功率等信息。但对于非周期信号，由于信号截断的缘故，将造成频谱泄漏和栅栏效应而引入误差，但可分别通过加窗或增加FFT运算点数减小误差。该方案是基于单片机AT89S52和FPGA的快速数据处理平台，采用频域处理法，精度高，速度快。

3 系统总体设计

该系统采用单片机与FPGA相结合作为控制核心与数据处理核心。系统尤其要注意小信号处理，信号多路分级放大，调理到A／D转换器适合采样的输入范围内，经过抗混叠滤波后，一路送给AD637进行有效值检测计算总功率，另一路送给A／D转换器进行采样。根椐频率分辨率来确定采样率，基于FPGA快速数据处理能力，在其中进行4 096点的FFT运算得到信号的功率谱，并实时显示信号总功率及主要频率分量功率。该系统运用相关原理判断信号周期性并测量周期，具有掉电存储回放显示和信号频谱显示功能。其系统总体框图如图1所示。

3．1 前级放大电路

采用3路多级放大，在实际电路调试时该系统的放大电路能够稳定工作在增益为10 000的状态下。因为采用的A／D采样器件最小能在100 mV有很好的转换效果，则该系统可测的最小信号峰一峰值大小为100 mV／10 000=10μV。最终该系统设定输入信号电压范围为10μV～20 V，即126 dB的动态范围。

系统中放大器增益较大，尤其要注要小信号放大，因此运放的选择最为关键，否则会影响系统的整体性能。如图2所示，前级运放采用TI公司的THS4031，其噪声电压密度为16 nV/Hz，带宽为100 MHz，整体性能好，适合小信号高增益放大处理。后级运放采用UA741CN，其为精密低噪声运放，带宽为1 MHz，带宽较小，可以进一步滤除高频分量。

3．2 A/D采样电路

A／D采样电路如图3所示，系统选用12位A／D转换器MAX197来实现数据采集。它有0～5 V，0～10 V，-5～5 V，-lO～10 V 4种输入量程，采样率可达100 kS／s。同时具有8个模拟通道，可方便选择通道，且可根据各个通道的最终幅值大小选择输入量程。

5 结束语

利用FFT实现对音频信号频谱分析的功能，频率覆盖范围为20 Hz～10 kHz，使用20．48 kHz的采样频率，FFT计算点数为4 096点，则频率分辨率为5 Hz。该音频信号分析仪成功实现各项设计指标，还具有掉电存储回放显示和频谱显示的功能，使系统更趋于智能化、人性化。整个系统由单片机和FPGA及简单硬件电路组成，控制简单，设计成本低，具有很高的科学价值和实用价值。