音频信号分析仪设计研究大学生电子设计竞赛山东省成功参赛奖.docx
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音频信号分析仪设计研究大学生电子设计竞赛山东省成功参赛奖
音频信号分析仪设计研究
大学生电子设计竞赛山东省成功参赛奖
摘要：
本系统是以ARM2138单片机作为主控制器，灵活运用具有强大专用功能的芯片（AD9850,AD835,AD637,MAX267,MAX261等），设计而成的音频分析仪。
系统具有分析音频信号频谱、功率的功能，分辨力扩展至20Hz，并能分析未知信号的周期性以及正弦信号的失真度。
系统利用DDS芯片生成频率步进的可调扫频信号，通过混频器AD835，开关电容滤波器取出各个频点的值，再配合放大，测量电路收集采样值，有效值转化等过程，最后经ARM2138单片机控制与处理，由LCD显示频谱结果，并可按键选择测量周期性和正弦信号失真度。
经过我们认真的设计、制作与全面的调试，本音频信号分析仪达到了题目规定的全部要求，并有所扩展。
关键词：
ARM2138扫频滤波频谱有效值
Abstract:
ThesystemofvoicefrequencysignalanalysisapparatuswhichisbasedonPHILIPSARM2138operatingdevelopinginstrumentasthemicrocontrollingmodule，ismadeupofsomestrongspecialchips,suchasAD9850,AD835,AD637,andsoonThesystemcananalyzethefrequencyspectrumandpowerofthesignal.Afterthefunctionexpandedtheinputsignalcanbeextendedto2kHz～10Hz,What’smore,thesystemcananalyzetheperiodicityofaunknownsignalandthedistortionofasinesignal.Inthissystem,theDDSchipcomposestheoscillator,andAD835makesupofheterodynemodulator.Aftersampledbywavefilter,enlarged,translatedintoeffectivevalueandprocessedbytheARM2138,theanalysisresultwillbedisplayedontheLCD.Afterdesigned,madeanddebuggedseriously,weapparatushasachievedthealltaskofthisvoicefrequencysignalanalysisinthecontestandaddsomeadditionalfunction.
Keywords:
ARM2138sweptfilterfrequencyspectrumeffectivevalue
1系统方案论证比较与系统的框架图
经过对题目认真的分析，我们认为本系统应该包含频率成分分析，功率测量，失真度测量，周期性测量四个主要功能。
图1图1系统的框架图
据下述方案的比较与论证，我们确定系统的框图如图1。
（1）对于频谱分析功能（频率、功率）
方案一：
扫频法。
采用外差原理，DDS产生一定步进频率的信号与输入信号混频，然后滤波器、测量。
这种方法的突出优点是扫频范围大，硬件成本低廉。
方案二：
FFT法。
此方案采用数字方法直接由模拟/数字转换器（ADC）对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。
。
方案三：
分段FFT。
此方案将输入信号分段，逐段进行FFT的处理。
根据实际条件和成本上的考虑，在满足题目要求的前提下，我们选择方案一。
（2）对于模数转换功能，方案一采用ARM内置AD；方案二采用芯片TLC2543完成。
考虑到实际测量时电压值可能大于2.5V（ARM极限），我们选择方案二。
（3）选通有效信号的功能我们选择MAX267和MAX261实现，有效值转换功能我们选择AD637实现。
2理论分析与计算
2.1放大器设计
原始输入信号题目中给定范围为100mV～5V。
根据我们系统方案论证，我们采用扫频测频法，这要经过AD835混频。
而AD835的输入信号电压应在±1V以内，同时考虑到小信号测量的精度不高，通过理论分析与实验测量，我们选择将输入信号经过放大倍数可知的程控放大电路，调整至±500mV～±1V之间，即峰峰值1V～2V之间，达到性能比较满意的程度。
我们设计采用高速运放OP27与数控电位器，外加必要的电阻及调零，实现放大电路的程序控制，同时通过有效值检测，进行反馈调节，将信号调至预定范围。
要将100mv～5v信号调整至1V～2V，缩放倍数范围至少应为2/5～10。
经过计算，我们选择Rg=30k,反馈电阻Ref选用x9511程控电位器（10k，32级——电压可变范围10k～310k），即此放大电路的放大倍数在0.33～10.33之间，完全符合要求。
这样通过AD637不断对输入条理后信号有效值进行检测，反馈控制电位器，调整放大倍数，使原始输入信号峰峰值符合要求（1V～2V之间）。
2.2功率谱测量方法
通过扫频、滤波、检测实现功率谱测量。
经过前级放大器的设计，得到比较满意的信号输入，将此信号输入AD835与DDS产生的扫频信号进行混频，将混频后信号经适当放大后通过自行设计的四阶巴特沃兹低通滤波器，截止频率为步进频率的1/2（100Hz步进时为50Hz低通滤波，20Hz步进时为10Hz低通滤波），在经有效值检测，AD转换，得到频率匹配的信号，从而获得输入信号的频率成分。
得到频率成分后，选择继电器将输入接至带通滤波电路，根据已获得的信号频率成分，控制带通滤波的中心频率，获得所需频率的信号信息。
为获得较好的带通滤波效果，选用两片MAX267级联，组成8阶带通滤波器。
电路设计中，在范围允许范围内尽量提高Q值，以减小带宽。
为此，我们将输入信号峰峰值放至4V～8V之间，然后经过MAX267内置运放衰减16倍（衰减倍数太大是输入信号过小，将导致抗干扰能力下降），预设Q值为4，这样经过两路2阶滤波后，保证中心频率信号经MAX267滤波后幅值保持不变。
同样方法进入下一片MAX267。
经过这样四个2阶带通滤波级联，显著缩小带宽，提高滤波质量。
一路滤波的传递函数为：
HRP（s）=[HoB*s（w/Q）]/[s*s+s（w/Q）+w*w]
可知，四路级联后，中心频率之外的波将呈四阶指数级衰减，其中Q=4，w=2πf（f为中心频率，对于音频信号为20Hz～20kHz）,可得到带宽在音频范围内符合题目要求。
得到理想的单频率信号后，对其进行有效值测量，进而得到各分量的功率，最后，使音频信号全通，测得总功率。
这样，便得到频率与功率的对应关系，即得到测量信号的功率谱。
2.3周期性判断方法
我们对原始输入信号的有效值和频率这两个参数进行测试，确定信号周期性。
对于有效值测量，利用AD637进行有效值测量，在测量前，对信号进行精密放大，以减小测量误差；对于频率测量，采用高精度电压频率（V/F）转换器AD650进行频压转换实现高精度频率测量。
对以上两个信号值进行多次采样比较，从而确定输入信号的周期性。
同时，考虑到实际中干扰的存在，我们认为频率波动为10Hz以内，有效值波动在20mV以内的信号仍为周期性信号，从而提高了测量系统的抗干扰能力和实际应用中的正确性。
3电路与程序设计（详见附件二）
3.1电路设计
3.1.1信号输入放大电路见图2
根据2.1理论分析与计算，此放大电路的Rg=30k,Ref选用10k～310k的电位器，并通过AD637、AD2543对数据采集进行反馈控制。
3.1.2扫频测频电路见图3图2信号输入放大电路图
扫频测频电路以AD9850为核心的扫频电路和AD835为核心构成的混频电路为主要部件。
电路中，AD835将待测信号和DDS扫频信号混频，经放大电路、四阶低通巴特沃思滤波电路，AD637有效值转换，AD2543的模数转换，将值送往ARM处理。
图3扫频测频电路图
3.1.3功率测量电路见图4
图1图4功率测量电路图
根据测得的频率，由PWM发出相应时钟信号送给带通滤波器MAX267，设定带通中心频率，输出的信号经过AD637的有效值转换，AD2543的模数转换，最后将所得值的送往ARM单片机进行处理（显示、播报），便得到了输入信号的有效值。
3.1.4失真度测量信号
由PWM控制MAX261带阻滤去基波，进行相应分析、处理（见附件二）。
3.1.5周期性判断电路
使用AD650进行频率测量，AD637对放大后的信号进行有效值测量（见附件二）。
3.2程序设计（源程序见附件三）
主程序流程图见图5
图5主程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案及测试条件
4.1.1方案
a基本要求部分：
利用标准函数发生器产生输入信号，信号峰峰值依次设为100mv、200mv、500mv、1.5v、2.5v，每一固定峰峰值的信号的频率f依次设为200Hz、300Hz、400Hz、800Hz、900Hz、1kHz、1.8kHz、1.9kHz、2.0kHz、4.8kHz、4.9kHz、5.0kHz、7.8kHz、7.9kHz、8.0kHz、9.8kHz、9.9kHz、10kHz，对本系统的给出的结果进行验证。
将输出开路，用电流表测处输入电流I，结合输入信号电压的有效值U，可以求出阻抗R和功率P，R=U/IPP=UI。
并测出分析时间t.
b发挥部分：
扩大输入信号的动态范围（峰峰值），频率范围20mv～10v，，频率范围扩为20Hz～10Hz,分辨力升为为20Hz.利用标准函数发生器，在50mv～6v内选取适当的信号电压峰峰值，在频率范围20Hz～10kHz内以20Hz为步进给系统扫频信号，验证系统给出结果的正确性。
主要测试项在4.2表格中，详细表格在附件中。
利用标准函数发生器产生正弦、三角，方波信号，验证本系统的周期测量准确性。
利用信号失真度测量仪对本系统正弦信号失真度测量的准确性进行验证。
4.1.2测试条件
a.时间：
2007年9月6号b.温度：
28度
c.测试仪器：
EE1640C型函数型号发生器ZQ4126失真度测量仪
TDS1002示波器
4.2测试结果（全部结果见附件）
4.2.1基本部分（见表1、表2）
表1阻抗测量表
输入信号
阻抗
误差（%）
电压有效值v
频率f
电流有效值u（mA）
1
100mv
200Hz
1.98
50.50
1
2
100mv
300Hz
10.06
49.72
0.56
3
200mv
900Hz
19.72
50.07
0.14
4
200mv
1kHz
30.10
49.84
0.32
表2系统对信号有效值、频率、功率的结果（部分）
测量
项目
测量
次数
输入信号
系统输出结果
有效值v（V）
频率f（Hz）
功率p（mw）
总功率
有效值v
频率f（Hz）
功率p（mw）
误差（%）
总功率
误差（%）
第一组信号
0.5
200
5
175
0.519
200
5.38
7.6
180.38
3.1
1.5
300
45
1.551
300
48.1
6.9
2.5
400
125
2.571
400
132.2
5.6
第二组信号
0.5
1k
5
175
0.522
1k
5.44
8.8
181.475
3.7
1.5
1.11k
45
1.572
1.1k
49.4
9.7
2.5
1.28k
125
2.588
1.3k
134
7.2
4.2.2发挥部分（见表3、表4）
表3系统输出信号有效值v，频率f，功率p，的分析表格（部分）
测量
项目
测量
次数
输入信号
系统输出结果
有效值v（V）
频率f（Hz）
功率p（mw）
总功率
有效值v（V）
频率f（Hz）
功率p（mw）
各功率误差（%）
总功率（mw）
总功率误差（%）
第一组信号
0.5
20
5
175
0.511
2.
5.23
4.6
180.075
2.9
1.5
40
45
1.539
40
47.4
5.4
2.5
60
125
2.550
60
130
4.0
第二组信号
0.5
1.022k
5
175
0.516
1.02k
5.33
6.6
182.35
4.2
1.5
1.048k
45
1.576
1.04k
47.9
6.2
2.5
1.052k
125
2.588
1.06k
134
7.2
表4系统判断输入信号周期性的表格（部分）
项目
次数
输入信号
系统分析结果
波形
采样次数
结论
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
正弦波
频率（Hz）
1.2k
1.203
1.201
1.198
1.206
1.195
1.199
1.204
1.200
1.197
1.204
是周期信号（1.201）
有效值（V）
1.05
1.059
1.060
1.045
1.039
1.054
1.063
1.048
1.052
1.040
1.061
正弦信号失真度测量见表5
将正弦信号加在音频设备上，将其输出信号分别接入本系统的输入端，与失真度测量仪的输入端，得到以下数据：
表5正弦信号失真度测量
失真度测量仪（%）
11.2
25.9
61.8
78.6
本系统（%）
15.1
23.1
60.4
79.
4.3测试结果分析
频谱分析部分：
经过测试，测得系统阻抗是50.03欧，输入信号的结果中，频率误差在1/2步进频率以内，功率误差在5%以内，达到了题目要求的基本要求。
将输入信号的范围扩展到50mv～6v后，仍可测得较精确的频谱图。
周期性判断部分：
系统对未知信号周期性的判断十分准确，并能给出周期信号的频率。
失真度测量部分；正弦信号失真度的测量，能反映失真度正确范围。
5总结
经过四天努力，我们终于完成了赛题中规定的基本要求和发挥部分，由于时间及其他一些客观条件，我们对系统的一些新的改进没能够实现，但我们仍然受益颇多。
同过两个月的认真培训和四天的紧张比赛，在赛前老师的指导下和赛时队友的合作之中，我们不仅培养了发现、解决问题的能力，还增强了团队精神。
总之，本次比赛将成为一次难忘的经历。
参考文献：
1.孙肖子.实用电子电路手册（模拟分册）北京：
高等教育出版社，1992
2何书森何华斌实用电子线路设计速成福州：
福建科学技术出版社，2004
3.谭浩强C程序设计（第二版）。
北京：
清华大学出版社，1992
4.周立功张华深入浅出ARM7——LPC213X/214X北京：
北京航空航天大学，2006
5.童师白模拟电子技术基础北京：
高等教育出版社，2001
6山东省“凌阳杯”大学生电子设计大赛优秀论文集全国大学生电子设计竞赛山东赛区组织委员会2006
附件
全部测试结果
基本部分
表1A阻抗测量
输入信号
阻抗
误差（%）
电压有效值v
频率f
电流有效值u（mA）
1
100mv
200Hz
1.98
50.50
1
2
100mv
300Hz
10.06
49.72
0.56
3
200mv
900Hz
19.72
50.07
0.14
4
200mv
1kHz
30.10
49.84
0.32
表2系统对信号有效值、频率、功率的结果
测量
项目
测量
次数
输入信号
系统输出结果
有效值v（V）
频率f（Hz）
功率p（mw）
总功率
有效值v
频率f（Hz）
功率p（mw）
误差（%）
总功率
误差（%）
第一组信号
0.5
200
5
175
0.519
200
5.38
7.6
180.38
3.1
1.5
300
45
1.551
300
48.1
6.9
2.5
400
125
2.571
400
132.2
5.6
第二组信号
0.5
1k
5
175
0.522
1k
5.44
8.8
181.475
3.7
1.5
1.11k
45
1.572
1.1k
49.4
9.7
2.5
1.28k
125
2.588
1.3k
134
7.2
第三组信号
0.5
9.83k
5
175
0.523
9.8k
5.48
9.6
182.175
4.1
1.5
9.88k
45
1.564
9.9k
48.9
8.7
2.5
9.97k
125
2.608
10k
136
8.8
发挥部分
表3系统输出信号有效值v，频率f，功率p，的分析表格
测量
项目
测量
次数
输入信号
系统输出结果
有效值v（V）
频率f（Hz）
功率p（mw）
总功率
有效值v（V）
频率f（Hz）
功率p（mw）
各功率误差（%）
总功率（mw）
总功率误差（%）
第一组信号
0.5
20
5
175
0.511
2.
5.23
4.6
180.075
2.9
1.5
40
45
1.539
40
47.4
5.4
2.5
60
125
2.550
60
130
4.0
第二组信号
0.5
1.022k
5
175
0.516
1.02k
5.33
6.6
182.35
4.2
1.5
1.048k
45
1.576
1.04k
47.9
6.2
2.5
1.052k
125
2.588
1.06k
134
7.2
第三组信号
0.5
9.916k
5
175
0.517
9.92k
5.34
6.8
181.125
3.5
1.5
9.952k
45
1.574
9.96k
48.6
8
2.5
9.973k
125
2.598
9.98k
135
8.2
表4系统判断输入信号周期性的表格
项目
次数
输入信号
系统分析结果
波形
采样次数
结论
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
正弦波
频率（Hz）
1.2k
1.203
1.201
1.198
1.206
1.195
1.199
1.204
1.200
1.197
1.204
是周期信号（1.201）
有效值（V）
1.05
1.059
1.060
1.045
1.039
1.054
1.063
1.048
1.052
1.040
1.061
2
三角波
频率（Hz）
3.2k
3.204
3.209
3.193
3.197
3.201
3.193
3.207
3.202
3.196
3.200
是周期信号（3.200）
有效值（V）
0.21
0.219
0.196
0.192
0.208
0.228
0.22
0.204
0.196
0.216
0.227
3
方行波
频率（Hz）
变化
1.014
1.026
1.034
1.048
1.056
1.064
1.075
1.086
1.093
1.105
不是周期信号
有效值（V）
4.22
4.213
4.204
4.235
4.218
4.239
4.225
4.218
4.231
4.229
4.218
正弦信号失真度测量见表5
将正弦信号加在音频设备上，将其输出信号分别接入本系统的输入端，与失真度测量仪的输入端，得到以下数据：
表5正弦信号失真度测量
失真度测量仪（%）
11.2
25.9
61.8
78.6
本系统（%）
15.1
23.1
60.4
79.
二、全部电路原理图
图1DDS电路图
图2混频器AD835电路图
图3模数转换电路图
图4连接AD835混频器与滤波电路的电路图
图5低通滤波电路图
图6AD637真值转换电路图
图7信号放大电路图
图8max267电路图
图9max261电路图
三、重要源程序
#include"config.h"
#include"9850.h"
#include"24c512.h"
#include"lcd.h"
#include"tlc2543.h"
#include"data_deal"
#definelow_limita0x121//（0.5/1.414*（2^12））/5
#definelow_limitb0x333//1/5*（2^12）
uint8keyvalue=0;
uint8tab1[]={"****Welcome!
****"};
uint16data_buf[128];
uint16frequen_buf[128];
uint8cnt=0;
uint8cnt_mg=0;
void__irqIRQ_Eint0（void）
{
uint32data;
uint8i=0;
PINSEL0=（PINSEL0&（~0x3330））;//引脚连接P0.3,P0.5,P0.7
IO0DIR&=（~0x54）;
data=IO0PIN;
if（（data&0x4）==0x1）
i|=0x1;
if（（data&0x10）==0x10）
i|=0x2;
if（（data&0x40）==0x40）
i|=0x4;
keyvalue=i;
/*等待外部中断信号恢复为高电平
若信号保持为低电平，中断标志会一直置位。
*/
while（（EXTINT&0x01）!
=0）
{
EXTINT=0x01;/*清除EINT0中断标志*/
}
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