基于USB的音頻信號分析儀設計

摘要：為了對鐵路信號進行分析，系統采用一種基于USB接口的虛擬信號分析儀實現方法。以FPGA為主控芯片，采用高速A／D轉換器進行音頻信號采集，USB接口傳輸，LabVIEW平臺實現信號分析。具有開發成本低，便于重構的優點。測試結果表明，系統功能正常，性能穩定。
關鍵詞：音頻分析；虛擬儀器；FPGA；USB

0 引言
音頻分析儀是一種利用頻譜分析原理，以數字信號處理為分析手段，提取信號在時域、頻域內一系列特性的過程，是對音頻信號進行頻率、頻譜及波形分析的一種測量工具，應用于電聲測量、音頻制作、信號分析乃至振動測試等領域。
早期的音頻測量一般是利用頻率計、示波器及頻譜儀等組合成一套測試系統。這種測試系統中間環節多，各環節之間接口匹配較為困難，使用起來比較麻煩，測量結果往往也不精確。目前雖然大部分的音頻分析儀已向集成化方向發展，但仍以硬件電路實現傳統意義上的音頻分析，有著自身無法克服的缺點。為此，本文提出了一種利用虛擬儀器技術來實現音頻分析的設計方案。

1 系統總體設計
本設計采用FPGA為系統的主控制芯片，完成音頻信號采集，數模轉換，數據傳輸等功能，并在虛擬儀器軟件的基礎上確定了一種方便可行的音頻分析儀的設計方法。

系統總體設計框圖如圖1所示。音頻信號經過前置放大器進行放大后進入A／D轉換器，經過轉換得到數字信號，存入FIFO緩存區，數據在FPGA主芯片中進行編排控制，經過USB接口傳送給計算機，最后由LabVIEW來完成音頻信號的處理并顯示結果。

2 系統硬件設計
系統硬件電路的核心芯片選用Altera公司CycloneⅢ系列FPGA EP3C25，該器件密度為18萬門，最高工作頻率高達300 MHz，完全可滿足高速數據采樣速率時序要求。
2．1 前置放大電路設計
前置放大電路用于將信號放大到A／D轉換器要求的電壓范圍。為保證放大電路的性能指標，采用AD公司的高頻寬帶運放AD811為核心進行設計，如圖2所示。AD811 3 dB帶寬高達140 MHz，并且具有2 500 V／μs的速度，差分增益誤差小于0．01％，0．01°差分相位，電流噪聲為1．9 nV。

前置放大電路的VIN為信號輸入口，U3和U4設計為反相和同相放大電路，以構成單端輸入至差分平衡輸入轉換電路，以滿足A／D轉換器對信號形式的要求。
2．2 高速A／D轉換電路
A／D轉換電路采用TI公司的雙通道高速A／D轉換器ADS2807。ADS2807集成了高帶寬跟蹤保持電路，即使在高達或超出奈斯奎特速率的情況下，同樣具有優秀的噪聲性能。該跟蹤保持電路和ADC電路的差動特性不僅能夠最大程度地減小偶階諧波，而且可提供優秀的共模噪聲抑制性能。ADS2807的信噪比為65 dB，無雜散信號動態范圍為70 dB。高速A／D轉換電路如圖2所示。