音頻信號分析儀

引言
音頻信號分析儀利用頻譜分析原理來分析被測信號的頻率、頻譜及波形。常用的頻譜分析方法有：掃頻法、數字濾波法、FFT法。這里提出一種基于FFT方法的音頻信號分析儀設計方案，通過快速傅里葉變換(FFT)把被測的音頻信號由時域信號轉換為頻域信號，將其分解成分立的頻率分量，在此基礎上對其進行各種分析，達到與傳統頻譜分析儀同樣效果。該系統設計可應用于音頻制作、信號分析等領域，具有一定的科學價值和實用價值。

2 方案論證
2．1 前級信號調理方案
考慮到盡量擴大信號動態范圍，又為了保證測量精度，盡量減小通道間干擾，該系統設計采用多路多級放大器對信號放大不同的固定倍數，使信號達到A／D采樣精度范圍，在數據處理時再縮小相應倍數，從而得到信號正確幅值。該方案通道間干擾小，但小信號放大硬件部分較復雜。
2．2 頻率分量檢測方案
該系統設計采用頻域處理法。先對信號A／D采樣，再運用FFT處理，可得信號頻譜，則可方便得到各頻率分量的幅值和功率等信息。但對于非周期信號，由于信號截斷的緣故，將造成頻譜泄漏和柵欄效應而引入誤差，但可分別通過加窗或增加FFT運算點數減小誤差。該方案是基于單片機AT89S52和FPGA的快速數據處理平臺，采用頻域處理法，精度高，速度快。

3 系統總體設計
該系統采用單片機與FPGA相結合作為控制核心與數據處理核心。系統尤其要注意小信號處理，信號多路分級放大，調理到A／D轉換器適合采樣的輸入范圍內，經過抗混疊濾波后，一路送給AD637進行有效值檢測計算總功率，另一路送給A／D轉換器進行采樣。根椐頻率分辨率來確定采樣率，基于FPGA快速數據處理能力，在其中進行4 096點的FFT運算得到信號的功率譜，并實時顯示信號總功率及主要頻率分量功率。該系統運用相關原理判斷信號周期性并測量周期，具有掉電存儲回放顯示和信號頻譜顯示功能。其系統總體框圖如圖1所示。

3．1 前級放大電路
采用3路多級放大，在實際電路調試時該系統的放大電路能夠穩定工作在增益為10 000的狀態下。因為采用的A／D采樣器件最小能在100 mV有很好的轉換效果，則該系統可測的最小信號峰一峰值大小為100 mV／10 000=10μV。最終該系統設定輸入信號電壓范圍為10μV～20 V，即126 dB的動態范圍。
系統中放大器增益較大，尤其要注要小信號放大，因此運放的選擇最為關鍵，否則會影響系統的整體性能。如圖2所示，前級運放采用TI公司的THS4031，其噪聲電壓密度為16 nV/Hz，帶寬為100 MHz，整體性能好，適合小信號高增益放大處理。后級運放采用UA741CN，其為精密低噪聲運放，帶寬為1 MHz，帶寬較小，可以進一步濾除高頻分量。

3．2 A/D采樣電路