音频信号分析仪
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2015-04-11
22:45:23
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音频信号分析仪
摘要：本系统基于快速傅立叶变换(FFT)算法，以单片机和 FPGA 为控制与
数据处理核心，结合必要的外围电路，实现对频率范围在 20Hz~10KHz 音频信
号频率成分的分析 。系统由控制与运算核心、程控放大器、滤波和采样等模块
组成。通过对程控放大器增益的调整将系统可测电压(峰-峰值)的动态范围扩展
到 10mV~ ８ V ； 通 过 改 变 模 数 转 换 器 的 采 样 频 率 ， 实 现 频 率 分 辨 力
100Hz、20Hz 两挡可调；频谱分析结果可按序存储，并使用点阵式液晶屏实
时显示；通过对频谱数据特征的提取判断信号的周期性，并实现对信号的失真
度分析。另外，可通过点阵式液晶屏以图形方式显示信号各频率分量及其相对
大小。
关键词: 频域分析 FFT PGA 失真度
一、方案设计与论证
题目要求制作一个可分析音频信号频率成分，并可测量正弦信号失真度的
仪器。分析题目要求，设计可以分为四大部分：程控放大器，包括组看匹配，
放大，滤波，整形；AD 采样；信号处理分析；人机交互。我们将设计的重点
放在对输入信号各频率成分功率的测量，其中在较大的动态范围内保证待测信
号的精确放大是本设计的难点。
针对如上难点，我们对系统各部分设计做了仔细的论证和比较。
1．方案比较与选择
1.1 控制与运算核心的选择
方案一：单片机作为控制与运算核心。
方案二：FPGA 作为控制与运算核心。
方案三：单片机与 FPGA 联合作为运算与控制核心。
单片机具有控制灵活简单的优点，但逻辑资源少，运行速度不能做得很
高;FPGA 相对于单片机在逻辑资源和速度上有绝对的优势，但不便于调试。若
将两者联合起来，可以充分发挥各自的优势，有可补充对方的缺点。故选择方
案三。
1.2 程控放大器
方案一：使用集成可变增益放大器 AD603。只要改变控制端电压就可以控
制 AD603 的增益，但要实现增益的精密控制还必须与位数较高的数模转换器件
配合使用。
方案二：使用模拟开关或继电器选择则不同的电阻值，作为放大器的反馈电
阻，实现不同量程的放大倍数。这种方案控制简单，只要运放的增益带宽积和
噪声抑制能力足够大，每级的增益是恒定的。但继电器分布参数较大；而模拟
开关存在一定的导通电阻。
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