电子设计大赛 音频信号分析仪设计
音频信号分析仪设计
调 理 模 块 、 混 叠 滤 波模 块 、 Ｄ ３ 抗 Ａ ６７检 波 模 块 、 ／ Ａ Ｄ采 样 模 块 等模 块 构 成 。 采 用 数 字信 号 处 理 技 术 ． Ｆ Ｇ 内部 完 在 ＰＡ 成 了 ２０ ８点 的 浮 点 型 Ｆ 计 算 ， 准 确 判 断 频 率 成 分 在 ２ ～ ０ｋ ｚ 幅 值 范 围 在 ０１ 一 ０Ｖ 的 输 入 信 号 的 功 ４ 丌 能 ０Ｈｚ １ Ｈ 、 ． ｍＶ １ 率谱 及 其 总 功 率 ， 率分 辨 力 最 高 可 达 １ ｚ 并 能 分 析 正 弦 信 号 的失 真 度 。系统 对 待 测 量 ５Ｓ 新 一次 并 可 实 时 显 频 ０Ｈ ， 刷 示 。 另 外 还 增 加 了掉 电存 储 回放 显 示及 信 号 频 谱 显 示 的功 能 。
１ 引 言
音频分 析是 以数字 音频信 号为分 析对象 ， 以数 字
抗混 叠滤波模块 、 Ｄ ３ Ａ ６ ７检波模 块 、 ／ ＡＤ采样模块等模 块 构成 ， 一步 提 高 了频 率 分辨 力 ， 进 扩展 了数 据 的掉 电存储 与频 谱显示 的功能 。
ｄ ｔ ｒ ｎ ｈ ｒ ｑ ｅ ｃ ｏ ｏ ｅ ｔ ｏ ｈ ０Ｈｚ ｌ Ｈｚ ｎ ｅ ｐ ｗ ｒ ｓ ｅ ｔ ｍ ｎ ｅ ｔｔ ｌｐ ｗｅ ｆｔ ｅ ０ １ ｍＶ一 ｅ ｅ ｍｉ ｅ ｔ ｅ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ｆ ｔｅ ２ ￣ Ｏｋ ．ａ ｄ ｔ ｏ ｅ ｐ ｃｒ ｈ ｕ ａ ｄ ｔ ｏ ａ ｏ ｒｏ ． ｈ ｈ １ ｉ ｐ ｔ ｓ ｎ １ ａ ｄ ｔ ｅ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｒ ｓ ｌ ｔ ｎ ｉ ｕ ｏ ０ Ｈｚ Ｔ ｅ ｓｎ ｓ ｉ ａ ｉｎ ｌ ｄ ｓ ｒ ｏ ｉ ａ ａｙ ｅ ａｓ ． Ｏ Ｖ ｎ ｕ ｉ ａ ． ｎ ｈ ｒ ｑ ｅ ｃ ｅ ｏ ｕｉ ｓ ｐ ｔ １ ． ｇ ｏ ｈ ｉ ｕ ｏｄ ｌ ｓｇ ａ ｉｔ ｔ ｎ ｓ ｎ ｌｚ ｄ ｌ ｏ ｉ ｏ
各届全国电子设计大赛题目
各届全国电子设计大赛题目一、正弦信号发生器 (3)二、集成运放参数测试仪 (4)三、简易频谱分析仪 (5)四、单工无线呼叫系统 (6)五、悬挂运动控制系统 (7)六、数控直流电流源 (9)七、三相正弦波变频电源 (10)八、音频信号分析仪 (11)九、无线识别装置 (13)十、数字示波器 (15)十一、程控滤波器 (17)十二、开关稳压电源 (18)十三、电动车跷跷板 (20)十四、积分式直流数字电压表 (22)十五、信号发生器 (24)十六、可控放大器 (25)十七、电动车跷跷板 (26)十八、宽带直流放大器 (28)十九、无线环境监测模拟装置 (31)二十、数字幅频均衡功率放大器 (33)二十一、低频功率放大器 (35)二十二、LED点阵书写显示屏 (37)二十三、声音导引系统 (39)一、正弦信号发生器一、任务设计制作一个正弦信号发生器。
二、要求1、基本要求（1）正弦波输出频率范围：1kHz～10MHz；（2）具有频率设置功能，频率步进：100Hz；（3）输出信号频率稳定度：优于10-4；≥1V；（4）输出电压幅度：在负载电阻上的电压峰-峰值Vopp（5）失真度：用示波器观察时无明显失真。
2、发挥部分在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能：=6V±1V；（1）增加输出电压幅度：在频率范围内负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vopp可在10%～100%之间程控调节，（2）产生模拟幅度调制(AM)信号：在1MHz~10MHz范围内调制度ma步进量10%，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生；（3）产生模拟频率调制(FM)信号：在100kHz~10MHz频率范围内产生10kHz最大频偏，且最大频偏可分为5kHz/10kHz二级程控调节，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生；（4）产生二进制PSK、ASK信号：在100kHz固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为10kbps，二进制基带序列信号自行产生；（5）其他。
音频信号分析仪设计
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关键 字 ： ３４ Ｂ Ｘ Ｓ Ｃ ４ Ｏ；频谱 分 析 ： Ｆ ＤＴ 中 图分 类 号 ：Ｔ ３ ８２ Ｐ ６ ． 文 献标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１ ７ — ７ ２ （０ ７９ ０ ４ — ２ ６ １ ４ ９ 一 ２ ０ ）— ０ ８ ０
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ｓ ｓ ｓ ｅ ｓ Ｆ ｅ ｈ ｉ ｓ ｔ ｎ ｌ ｓ ｕ ｉ ｒ ｑ ｅ ｃ ． Ｔ ｅ ｙ ｔ ｍ ｕ ｅ Ｓ Ｃ ４ Ｏ ｓ ｔ ｅ ｋ ｒ ｅ ， ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｉ ｙ ｔ ｍ ｕ ｅ Ｄ Ｔ ｔ ｃ ｎ ｃ ｏ ａ ａ ｙ ｅ ａ ｄ ｏ ｆ ｅ ｕ ｎ ｙ ｈ Ｓ ｓ ｅ ｓ ３ ４ Ｂ Ｘ ａ ｈ ｅ ｎ ｌ
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如图二。在接收电路中，由耐高压耦合电容C1C2，中周T3，电容C3组 成的谐振回路接收载波信号，再经二极管V3检波送至场效应管放大， R3为场效应管提供工作电压，再送至集成功率放大器。通过调节C3和 T3磁芯可改变谐振频率，以达到最佳接收效。V1V2为1N4001硅管，导 通电压为0.7v.二极管V3为2AP点触式的锗管，其导通电压为0.2v，此处 专用于检波。
V因(41)为电V2载力为波•管1的N理4频，0在周0率如1硅比远接谐管程较，抄高收振导表（通系1端回0电统0压～。，路为4000电接.kHz力收），~线远二远中大极于的电管网载的检频波率波，信这~样号场就使经效载波耐应信号压管畅通耦放无阻合大，电而集能容够成隔取断功高出压放。，输再出经。中两 变(1)压传器送T电2实话现信部了息高，分压为与电中低力压调的的度隔服信离务号。。 放大均采用LM386小功率音频功放集成电路，通 过调节电位器R，其电压增益在20~200间可调。 根据电路需要， 在接收电路中，由耐高压耦合电容C1C2，中周T3，电容C3组成的谐振回路接收载波信号，再经二极管V3检波送至场效应管放大，R3为场效
上传输，有无市电时都能实现其功能，所以具有使用
方便、实用、通信距离远且不受市电的影响的优点。
• 关键词：载波通信，电容三点式振荡器，调幅，检波， 音频功率放大，中周。
一、设计背景:Байду номын сангаас
• 1.电力线载波通信的发展历史 电力线载波通信是利用高压输电线进行载波通信，是电力系统中
特有的一种传统通信方式，经过几十年的发展，已从模拟方式向数字 方式过渡，技术上已近日趋成熟。
• 图二：
在在应在压因通 在(电本的变在两(V在合本的((在如因(在压((V此(V中因34543335111))))))))接接管发电为过接容作优压接部发进作优接图为发电作周为电 传家 电 传 传 传 家VVV222收 收 提 送 容 载 调收 三 品 点 器 收 分 送 入 品 点 收 一 载 送 容 品 T载力送 电力送送送电为为为1端电供端耦波节 端点将。T端中端2将。端，波端耦实波组管远 用管远远远用11122，路工，合的C，式音，的将音，在的，合现的NNN0实成理方 电理方方方电V3444电中作驻进频电振频电信输频电发频驻进音频现振，保 器，保保保器和000交000力，电极入率力荡信力号入信力射率极入频率了荡如护 近如护护护近T流1113硅硅硅线由压体比线器号线放信号线电比体信比22高器远信 距远信信信距电磁22管管管中耐，话中的在中大号在中路话号00压，程息 离程息息息离较较较力芯VV，，，的高再筒的频不的均进不的中筒在与 其抄， 通抄，，，通高高高交 交线可导导导载压送信载率经载采行经载，信电低初表保 信表保保保信（（（流流。改通通通波耦至号波计过波用放过波为号力压次系证 。系证证证。111电电变000电电电信合集由信算变信大变信不由线L的级统电 统电电电力力000谐M压压压～～～号电成集号公压号，压号使集上隔匝。力 。力力力线线3振8为为为444经容功成经式器经然器经调成的离数系 系系系。。频6000000耐率电耐的耐后的耐制电单Cf000小。比统 统统统=率...kkk11压放路压电压由电压信路工功HHH约的 的的的C/，2zzz耦大放耦力耦三力耦号放传2率为稳 稳稳稳π）））以，√合器大合线合极线合过大输音5定 定定定，，，达L中：电。，电上电管上电大，。C频运 运运运远远远到周3，容然容传容和传容而然功行行 行 行，远远远最TC取后取输取中输取导后放3。 。。。T大大大佳=，2出调出，出周，出致调集C于于于接的电1，制，有，组有，载制成电电电*收作容C再由再无再成无再波由电网网网效用2C经三经市经的市经信三/路(的的的。3是C谐极谐电中电电谐号极组，频频频a耦+振管振时周容时振失管成通率率率合C回和回都谐三都回真和的过b，，，发)路中路能振点能路，中谐调这这这射接周接实回式实接在周振节样样样信收组收现路振现收耦组回电就就就号成其接荡其合成~~~路位使使使和检检检的功收器功电的接器载载载保波波波电能进能容电~收R波波波护~~二~，容，行，容C载场场场信信信振极前其三所调所三波效效效号号号荡管接电点以制以点信应应应畅畅畅电检入压式具，具式号管管管通通通路波电增振有其有振，放放放无无无，~位益荡使振使荡再大大场大阻阻阻其器在器用荡用器经~~效 ~， ， ，匝R功 功 功2（ 方 频 方 （二应而而而0以数放放放~载便率便载极管能能能调比2输输输波、约、波管0放够够够节为0出出出频实为实频V间大隔隔隔调13。。。率用用率2：可集检断断断制0约、、约80调成波高高高信。K为通通为。功送压压压H号信信22z放至。。。的,00调距距00输场输KK幅离离出效hh入信zz远远。应））。号且且管，，再不不放调调经受受大幅幅耐市市，信信压电电R号号电3的的再再为容影影经经场耦响响耐耐效
音频信号分析仪设计报告
音频信号分析仪设计报告1．摘要：设计一个可对音频信号进行分析，并在LCD上显示其频率分量及功率的电路，电路还可对输入的失真信号进行失真度测量。
电路主要由扫描滤波网络，检波采集网络，以及失真度测量网络构成。
扫描滤波部分主要由MAX264开关电容滤波器电路和基于DDS扫描控制信号产生电路组成，完成对各个频率分量的提取；检波部分主要由有效值转换电路完成对频率分量功率的测量；失真度测量部分可自动跟踪输入信号的基频，通过谐波检测的方法，实现对失真度的测量，并可借助单片机测量其频率。
整个测量电路结构简单，可较好完成对音频信号的各项分析。
关键字：MAX264 AD9851 音频功率检测失真度2．总体方案设计2．1方案一动态信号分析法，即对信号进行时域采集，然后进行fourier变换，转换成频域信号。
特点是较快，有较高的分辩率和采样速率。
但受采样定理限制，无法推广到高频，且对采集网络要求较高，一般的单片机无法完成信号的频域变换算法。
2．2方案二并行滤波法，通过一组滤波器网络，且每个滤波器都有自己的检波器，其通频带应尽量窄，数目应应该有足够的密度概括整个测量频带。
优点是可实时显示和分析各个信号的频率分布及大小，缺点是其频率分量的个数取决于滤波器数目，当测量带宽增大，所需滤波器数目巨大。
2．3方案三外差法，采用超外差接收机的方式，利用混频器、中频放大器、中频滤波器、检波器等构成频谱分析电路。
其优点是工作频率范围宽、选择性好、灵敏度高。
但是由于本振是连续可调谐的，被分析的频谱是依次顺序取样，因此扫频外差式不能实时地检测和显示信号的频谱。
2．4方案四扫描滤波法，其采用中心频率可调的滤波器。
被测信号首先加至可调谐窄带滤波器，其中心频率自动反复在信号频率范围内扫描。
扫描滤波式频谱分析电路的优点是结构简单，价格低廉。
由于没有混频电路，省去了抑制假信号的问题。
我们选择这种方案，用DDS控制滤波器中心频率从而实现对不同频率分量的的提取并且利用滤波网络还可以实现失真度测量。
山东建筑大学-音频信号分析仪
全国大学生电子设计竞赛论文——山东赛区编号：A甲2314题目：音频信号分析仪学生姓名：冯涛黄国栋尹文彬学校专业：山东建筑大学机械工程及自动化指导教师：陈继文秦广久张涵音频信号分析仪摘要：本作品是以计算机为中心的音频信号分析仪，根据题目设计要求，采集的信号在几十赫兹到十千赫兹范围内，我们尽量利用现有技术与设备，采用转换速度几十微秒的AD转换芯片和通用计算机构成。
本音频信号分析仪以LPC938单片机为核心，声音模拟信号通过LM358进行信号放大，利用LPC938自带的A/D转换功能实现模拟数字信号的转换，由单片机通过串行口通信的方式将数字音频信号传给PC 机,通过PC机显示音频信号并分析结果。
利用LabVIEW强大的科学计算能力，对采集到的信号进行了自相关和互相关分析，并对确知信号和随机信号进行了频谱分析和功率谱分析，实现了音频信号分析仪的设计。
并将分析结果下传51单片机，由液晶显示、打印机打印。
关键词：信号采集频谱分析功率分析虚拟仪器正弦信号失真度1.系统方案选择与论证1.1总体设计方案本作品是以计算机为中心的音频信号分析仪，根据题目设计要求，采集的信号在几十赫兹到十千赫兹范围内，我们尽量利用现有技术与设备，采用转换速度几十微秒的ad转换芯片和通用计算机构成，原理如图1所示。
本作品通过对音频信号的采集、放大、滤波、模数转换，由单片机通过串行口通信的方式将数字音频信号传给PC机。
利用LABVIEW强大的科学计算能力，对采集到的信号进行了自相关和互相关分析，图1.1 系统总体方案图框1.2 硬件设计：系统硬件部分包括信号预处理电路，数据采集、传输，计算机三个部分。
其中预处理电路部分完成对被采集的信号进行预处理，使之和数据采集对输入信号的要求相匹配。
数据采集实现将采集到的模拟信号转换为数字信号，数据传输将处理过的数字信号通过与PC机的通信接口读入PC机进行分析。
1.2.1、预处理电路的设计预处理电路包括滤波、放大两部分。
音频信号分析仪的设计
域和频域的特性如图 1 所示。
图 1 汉宁窗（hanning）时域和频域特性曲线 2.4 相位差校正方法
提高信号功率测量精度，首先要精确获得信号的幅度信 息，当进行加窗傅立叶变换时，就会导致幅度计算结果误差很 大，需要做一些校正处理。相位差校正法相比与其它离散频 谱校正方法通用性好，对不同的窗函数可以用相同的公式进 行频率和相位校正，而且校准效果好，相位和幅度进行校正， 频率误差小于 0.0002 个频率分辨力，相位误差小于 0.1 度，幅 度误差小于 0.02％。 3 电路与程序设计 3.1 前级放大电路设计
参考文献： [1] 黄根春.电子设计教程[M].电子工业出版社,2007. [2] 夏宇闻.Verilog 数字系统设计教程[M].北京航空航天大学出
版社. [3] 马忠梅.单片机的 C 语言应用程序设计（第三版）[M].北京
航空航天大学出版社,2004. [4] 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].华中理工大学出
[J]. 电路与系统学报. 2005 年 4 月 第 10 卷 第 2 期: 112-116. [4] 马忠梅．单片机的 C 语言应用程序设计（第三版）[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2004. [5] Schildt,H.．C 语言大全（第四版）[M]．北京：电子工业出版
社，2002. [6] Michael D. Ciletti．Verilog HDL 高级数字设计（英文版）[M]．
使用 MATLAB 的 firpm 函数得到其系数。firpm 函数采 用 Parks-McClellan 算法来计算最优滤波器的系数。 ParksMcClellan 算法应用切比雪夫定理和 remez 迭代算法，通过加 权切比雪夫算法，设计 FIR 滤波器，并利用 remez 算法，使设 计的滤波器与理想滤波器之间的加权误差最小。该函数返回 值为相应的的最优等波纹滤波器的系数。
音频信号分析仪设计
音频信号分析仪设计学院：电子信息学院专业：电子信息工程姓名：学号：指导老师：摘要本音频信号分析仪由STM32为主控制器，通过AD转换，对音频信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过FFT快速傅氏变换运算，在时域和频域对音频信号各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，然后通过高分辨率的LCD对信号的频谱进行显示。
该系统能够精确测量的音频信号频率范围为20Hz-10KHz，其幅度范围为50mVpp-5Vpp，分辨力分为20Hz和100Hz两档。
测量功率精确度高达5%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析仪的解决方案。
关键词：FFT STM32 音频信号分析AbstractThe audio signal analyzer is based on a STM32 microprocessor, through the AD converter for audio signal sampling, the continuous signal discrete, and then through the FFT fast Fourier transform computing, in the time domain and frequency domain of the various audio frequency signal weight and power, and other indicators for analysis and processing, and then through the high-resolution LCD display signals in the spectrum. The system can accurately measure the audio signal frequency range of 20 Hz-10KHz, the range of 50mVpp-5Vpp，resolution of 20 Hz and 100 Hz correspondent. Power measurement accuracy up to5%, and be able to accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution.Key words:FFT STM32 audio signal analyzing目录一、系统设计方案与论证 (1)1.1 系统总体设计 (1)1.2 CPU的选择 (1)1.3 前端信号调理电路 (2)1.4 AD转换模块 (2)1.5 LCD液晶显示模块 (2)二、硬件设计 (2)2.1 阻抗匹配电路 (2)2.2 峰值检测电路 (3)2.3 电压抬高电路 (4)2.4 可变增益放大电路 (4)2.5 低通滤波电路 (6)三、软件设计 (6)3.1 FFT程序 (7)3.2 功率谱测量方法 (8)3.3 周期性判断方法 (9)3.4 ADC采样程序 (9)3.5 LCD显示程序 (10)四、系统调试 (10)4.1 硬件调试 (10)4.2 软件调试 (13)4.3 总体调试 (14)五、测试结果 (15)六、总结 (16)附录 (16)参考文献 (20)一、系统设计方案与论证1.1 系统总体设计总体设计思路：信号经过电压跟随器后进入峰值检测然后经过两个电压比较器把输入信号分2段，然后分别进入不同的增益放大电路进行放大，经过电压抬升后进入ADC进行采样，然后利用STM32进行软件编程来进行FFT计算，判断是否为周期信号，求出输入信号的频率、功率、频谱等，然后在同步显示在液晶屏上。
音频信号分析仪设计 采用Philips公司的LPC2138作为控制核心 全国大学生电子设计竞赛一等奖
摘要：本系统采用Philips 公司的LPC2138作为控制核心,外围扩展高精度A/D 芯片max1132，LCD 显示电路以及控制接口。
ARM 对AD 采集到的时域信号进行FFT 变换进而得到其频谱，LCD 为之提供友好的操作提示界面并显示测量结果。
针对音频信号频率低的特点我们经过慎重分析采用FFT 进行谱分析，与扫频法相比较，FFT 的突出优点是：分辨率高，频谱泄露少并更适合低频分析，而对快速傅立叶的算法优化则是我们设计的精华。
关键词：音频信号分析，FFT ，max1132, lpc2138, 高速16位ADC ，频谱，相关函数，失真度。
Abstract ：The core of system is the LPC2138 from Philips , the external expansion consists of high-precision A / D chip max1132, LCD display and control interface. Through AD ARM transforms the time domain signal by FFT to get its spectrum, LCD provides the operation of friendly interface and display measurement results.With respect to low characteristics of audiofrequency we conducted using FFT spectrum analysis, compare with sweep method, FFT prominent advantages are: high-resolution, less leakage spectrum and more suitable for low-frequency analysis, and the Fast Fourier algorithm optimization is the essence of our design.Key words : audio signal analysis, FFT, max1132, lpc2138, high-speed-16-bit ADC, spectrum, autocorrelation, degree of distortion一 、方案比较与选择（一）整体方案论证与选择在满足基本要求的前提下，完成本题目的方案有以下三种：方案一：采用时域扫频法实现，参考框图如1。
音频信号分析仪实验报告
音频信号分析仪实验报告音频信号分析仪（课程设计）组员：唐中源 1128401074黄君君 1128401104施以鹏 1128401105 指导老师：邓晶专业：通信工程完成时间： 2014年6月16日目录摘要 (4)一、方案比较论证 (5)1.1控制器选择 (5)1.2放大器设计方案 (5)1.3主控芯片的选择 (6)1.4 FFT计算方式选择 (6)二、硬件设计 (6)2.1 总体设计 (6)2.2 模块单元设计 (7)2.2.1 电压跟随 (7)2.2.2 放大模块 (8)2.2.3 峰值检测电路 (11)2.2.4 滤波模块 (12)2.2.5 电压抬高模块 (13)2.2.6 模拟开关、比较器模块 (14)三、软件设计 (14)3.1ADC采样程序设计 (15)3.2快速傅里叶变换程序设 (16)四、硬件调试及系统测试 (17)4.1 分模块焊接仿真 (17)4.2 模块组合联调 (19)五、总结 (21)参考文献 (22)附录 (22)摘要本文主要论述了基于STM32单片机的音频信号分析仪的具体实现。
设计的关键部分是快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT) 。
通过使用定点运算及FFT算法，该仪器每秒可完成115次1024点32位精度的FFT运算，可满足信号带宽20 Hz~10KHz、频率分辨力20 Hz的要求。
结果通过触屏LCD显示，显示出时域和频域波形并能进行两者切换，调整波形位置、大小，可以显示出测量的峰峰值、周期，可以判断输入是否为周期信号。
系统采用程控放大器PGA202KP，通过STM32内部的ADC检测输人信号幅度控制放大器放大倍数，实现了自动检测放大输入信号; 采用两种频率控制ADC交替采样完成信号幅和频率的准确测量。
AbstractThis article mainly elaborated based on the STM32 monolithic integrated circuit tonic train signaling analyzer concrete realization. This analyzer uses the FFT fast algorithmic analysis tonic 12 train signaling，the resultthrough the oscilloscope demonstration frequency spectrum and the LCD demonstration. And joins the adjustment function. System use program control amplifier PGA202, through the ADC examination input signal scope control amplifier enlargement factor, realizes the entire automatic detection enlargement input signal system also to use two kind of frequency controls ADC sampling to complete the signal scope and the frequency accurate survey in turn.关键字STM32 PGA202 频域分析FFT 失真度一、方案比较论证1.1控制器选择在数字信号处理中，常用的控制器有FPGA、DSP及STM32。
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2007年A题音频信号分析仪本系统基于Altera Cyclone II 系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核，代替传统DSP芯片或高性能单片机，实现了基于FFT的音频信号分析。
音频信号分析仪摘要：本系统基于Altera Cyclone II 系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核，代替传统DSP芯片或高性能单片机，实现了基于FFT的音频信号分析。
并在频域对信号的总功率，各频率分量功率，信号周期性以及失真度进行了计算。
并在FPGA中嵌入了8阶IIR切比雪夫（Chebyshev）II型数字低通滤波器，代替传统有源模拟滤波器实现了性能优异的音频滤波。
配合12位A/D转换芯片AD1674，和前端自动增益放大电路，使在50mV到5V的测量范围下，单一频率功率及总功率测量误差均控制在1%以内。
关键词：FPGA；IP核；FFT；IIR；可控增益放大Abstract: This system is based on IP core(Nios)soft-core processors embedded in the FPGA of Altera Cyclone II family. Instead of using DSP or microcontroller, we use Nios II to perform a low-cost FFT-based analysis of the audio signal.And we caculated the power of the whole signal,the power of each frequence point that componented the signal.By the way,we anlysised its periodicity and distortion.We also embedded an 8-order Chebyshev II IIR digital low-pass filter to replace the traditional analog Active Filter to perform an excellent audio filter. With 12bit A / D converter chip AD1674, and the front-end automatic gain amplifier, this system’s single-frequency power and total power measurement error is below 1% in 50mV to 5V measurement range.Keyword: FPGA；IP core; FFT;IIR; a utomatic gain amplifier一、方案选择与论证1、整体方案选择音频分析仪可分为模拟式与数字式两大类。
方案一：以模拟滤波器为基础的模拟式频谱分析仪。
有并行滤波法、扫描滤波法、小外差法等。
因为受到模拟滤波器滤性能的限制，此种方法对我们来说实现起来非常困难。
方案二：以FFT为基础的的数字式频谱分析仪。
通过信号的频谱图可以很方便的得到输入信号的各种信息，如功率谱、频率分量以及周期性等。
外围电路少，实现方便，精度高。
所以我们选用方案二作为本音频分析仪的实现方式。
2、FFT计算方式选择方案一：使用VHDL 硬件实现。
FFT的VHDL程序编写难度大，短时内不易实现。
方案二：在FPGA中嵌入Nios II处理器，通过软件实现。
Nios II 支持C语言编程方式，普通的C语言版的FFT稍加改正即可应用到本方案中。
四天之内我们不可能实现一个用硬件实现的FFT算法，因此我们选用方案二。
3、采样电路与A/D芯片选择本设计中要求分析的信号峰峰值范围为100mVp-p～5Vp-p，用8位A/D进行采样，不能满足题目的精度要求，采用12位的A/D芯片AD1674，其分辨率可达到1.2mV（相对于5Vp-p信号），满足了题目要求的5%误差范围。
同时其100K的采样频率也满足本设计中的频率要求。
4、信号调理方案AD1674信号输入满偏电压在双极性时为±5V，即峰峰值10V。
方案一：将输入信号放大2倍，以达到AD1674的满偏输入，以提高A/D 的精度。
但若输入信号都比较小时，采样精度就会下降。
方案二：将前端信号放大调理电路分为几个档，针对不同幅度的信号选择合适的通道进行放大，放大倍数以当前信号中的最大峰值为选择基准。
这样在输入信号比较小时可以选择比较大的放大倍数，以提高A/D采样的精度。
明显方案2优于方案1。
5、采样及滤波方案选择方案一：按照奈奎斯特定律采样，以传统模拟方式滤波。
传统模拟方式或有源滤波芯片难以实现很好的频带外衰减。
从而使运算结果误差增大。
方案二：在A/D前进行简单的抗混叠滤波，以比较高的速率采样，然后在FPGA中用数字滤波器进行精确滤波。
滤波后进行二次采样以减少运算量。
切比雪夫(Chebyshev) II型低通IIR滤波器有平坦的通带，等波纹的抑制频带、适中的过度频带，非常适合于音频滤波。
可以使分析达到很好的精度。
方案二外围电路要求少，实现方便，我们采用方案二。
6、信号功率的计算。
方案一：通过测真有效值的方式实现，应用普通的真有效值检测芯片可以方便的测出信号在一定时间段内的总功率。
但对单个频点处的功率测量无能为力。
方案二：在用FFT得到信号的频谱后根据帕斯瓦尔定律可以很方便的得到信号各频率分量的功率及信号的总功率。
因为本设计中我们可以通过FFT得到信号的频谱，因此方案二最适合本设计。
总体方案确定：经过以上论证我们确定总体设计方案框图如下：图1-1、系统整体方案框图二、系统具体设计与实现1、前端可控增益放大电路及增益控制电路针对音频信号的特点以及题目中对精度的要求，我们选用了特别适合音频信号处理的经典运放NE5532。
峰值保持部分使用普通运放TL084。
信号进入后首先经过一与50欧姆精密电阻并联的跟随器，以满足题目中的50欧姆输入阻抗的要求，同时增强带后级带负载的能力。
然后经过隔直电容进入后级放大电路。
放大电路同时设置了×1，×2,×20，×200，4个放大通道，分别对10Vp-p、5Vp-p、500mVp-p、50mVp-p信号进行不同放大，这样将可测量信号的动态范围扩展到了10mV；电路图见图2-1。
同时通过峰值保持电路记录一个FFT运算周期内的信号峰值，通过与设定的参考电压进行比较以确定信号的峰峰值范围，以作为下一次采样时放大通道的选择参考；控制器通过模拟开关来选择不同的放大通道。
峰值保持电路部分采用精密二极管与充电电容进行信号峰值保持。
为减小电容漏电流对峰值保持的影响，选择了47uF的电容。
每次采样前对读入峰峰值范围并对电容放电以记录下一次的峰峰值。
图2-1、输入信号放大通路图2-2、峰值保持电路2、抗混叠滤波我们选择简单易用的管脚可编程滤波芯片MAX263来实现，该滤波芯片无需外加外围电路，减少了外界环境对其性能的影响。
电路图见附图1-23、A/D转换部分电路见附图1-3。
4、数字滤波及Nios核实现方式见附图2-1。
5、本设计中增加了一分贝测量的附加功能。
三、理论分析与参数设计1、采样频率计算：根据奈奎斯特定律采样率应满足，本题目中信号输入频率最大为10KHz，因此，为进行二次采样，我们的采样率应大于40KHz。
进行FFT的点数按计算。
又因为FFT运算量为2的n次方点时比较容易实现。
在满足频率分辨力并尽量减小运算量的条件下我们可得出某一频率分辨率与采样率的关系。
例如我们设计的频率分辨力为100Hz，则为分辨出10KHz的信号，则，求得N=200,我们取N=256。
其他分辨力类推。
本设计中我们设计了以下四个频率分辨力档：**二次采样速度：原始采样数据经数字滤波后，经二次采样（降低采样率）后的实际采样速度。
2、IIR数字低通滤波器设计在进行FFT运算之前应当尽量避免频谱的混叠，即对带外信号要进行尽可能大的衰减，挈比雪夫(Chebyshev) II型滤波器具有通带内平坦并且衰减速度快的特点。
其相频响应及群延迟特性都比较好。
其转移函数具体系数计算可通过Matlab的Filter Design & Analysis Tool来实现。
得到系数后打开Altera DSP buider，在它的可视化界面中搭建出自己所需的滤波器。
3、信号功率及各频率分量功率计算：连续傅立叶变换下的帕斯瓦尔能量定率为：，离散傅立叶变换下的帕斯瓦尔能量定律为，由此可推出；同时可推出，即可得出个频率分量的功率。
在计算时应当注意补偿因经过滤波器时信号的衰减，以及根据放大倍数还原信号到其实际值。
从而使计算结果更加精确。
4、信号周期性判断及周期测量周期信号的频谱都是谐波离散的，它仅含有的各频率分量，即含有基频（T 为周期信号的周期）和基频的整数倍（n=1，2，3，…）这些频率成份，频谱图中相邻普贤的间隔是基频，周期信号越长，谱线间隔愈小，频谱愈稠密，反之则愈稀疏。
这是周期信号频谱的最基本特点。
因此信号的周期性判断可用以下方式判断：从最小频率点开始观察，若最小频率分辨率点处的频率分量为0（实际不为0，而是一个很小的数值），则这个信号就是周期的。
然后继续向上观察，出现第一个峰值的频率点处既是这个信号的基频。
这种分析方法虽然可以很方便的测出基频大于最小分辨率信号的周期，但是对于基频等于或小于最小频率分辨率的信号的周期性就无能为力了。
要测出基频更小的信号的周期性就要增加FFT的点数。
5、正弦信号的失真度测量方法一般地，正弦波的失真是用失真度，即所有谐波能量之和与基波能量之比的平方根来表示的。
在频域中即可通过一下方式计算：，其中为基波分量的傅立叶系数，、、…为谐波的傅立叶系数。
四、软件设计在本设计中，控制及计算部分都由FPGA来实现。
其中Nios核完成键盘控制，液晶显示、FFT算法实现、功率计算、周期性判断及失真度测量的功能；而自动增益控制、A/D转换控制以及数字滤波器则由VHDL语言实现，以减轻CPU 的负担，同时两部分并行处理提高了系统的速度。
系统框图及流程图如下：图4-1 软件流程图五、指标测试1．调试方法和过程采用模拟电路由前端到后段，数字电路先仿真再试测，先逐个模块测试再连调的办法。
2．测试仪器（见附录三）3．输入阻抗测量使用分压法测量：在系统输入上串联一个的精度0.1%的电阻，用34401A 61/2数字万用表测量精密电阻和系统输入端的电压比值。
用TFG2040 DDS函数信号发生器输出：F=5KHz V p-p=1V 的正弦波用34401A 61/2数字万用表测得精密电阻两端V p-p=0000.501V测得系统输入端电压Vp-p=0000.499V 因此算得输入阻抗为：4．信号总功率及各频率分量功率测量使用两台TFG2040 DDS函数信号发生器产生两路信号叠加后进行测试，现列出一组典型信号测试结果：两路输入电压分别为V p-p1=1.0000V(0.01W),=1KHz,Vp-p2=2.0000V(0.04W),=3KHz。