文档介绍：音频信号分析仪摘要:本系统利用C8051F120单片机作为主控制器,配合FPGA设计工具,制作完成本音频信号分析仪。系统主要由7个模块组成:信号输入模块,程控增益电路模块,数字滤波(窗函数)模块,信号采集模块,DFFT运算模块,频谱图显示模块和人机接口模块。前端利用高性能的A/D对被测信号进行采集,利用FPGA高速、并行的处理特点,将采集的数据送入到单片机进行数据处理。C8051F120单片机是整个设计的核心控制器件,根据从FPGA接收到的数据,进行离散快速傅里叶变换(DFFT)。由变换后的频谱可以计算各频率分量的幅值,最终求出总功率和各频率分量的功率。此外,经过单片机处理后的数据送到FPGA,最终送示波器显示各频率分量的频谱。人机接口使用128×64液晶和4×4键盘。本系统运行稳定,功能齐全,人机界面友好。关键词:C8051F120FPGA音频信号分析仪DFFT窗函数频谱本系统利用时钟频率为100Mbps的高速C8051F120单片机作为核心处理器,配合FPGA设计工具,制作完成本音频信号分析仪。系统主要由7个模块组成:信号输入模块,程控增益电路模块,数字滤波(窗函数)模块,信号采集模块,DFFT运算模块,频谱图显示模块和人机接口模块。前端利用FPGA通过高速高精度的A/D对被测信号进行采集,采集后的信号首先由FPGA进行数字滤波,然后将处理后的数据送入到单片机进行离散快速傅里叶变换(DFFT)。由变换后的频谱可以计算各频率分量的幅值,最终求出总功率和各频率分量的功率。同时,经单片机处理后的数据又被送到FPGA,通过高速D/A送示波器显示各频率分量的频谱。人机接口使用128×64图形点阵液晶和4×4键盘。本系统通过测试,有精度高、误差小、运行稳定、功能齐全和人机界面友好等特点。系统方案方案比较与选择方案一:基于模拟乘法器的扫频法这种方法采用外差原理,由本机振荡器产生一定步进频率的信号与输入信号相乘,然后由适当的滤波器将差频分量滤出以代表相应频点的幅度。本机振荡信号可以达到很宽的频率,与外部混频器配合,可扩展到很高频率。这种方法的缺点是,对硬件电路要求较高,各模块性能都需要精心设计,且连接在一起整体调试时有一定难度。而且它只适合测量单一频率幅度,要想对音频信号分析是很难实现的。方案二:基于FPGA实现FFT变换FPGA实现FFT变换,首先对10KHz以下的信号进行ADC采样,然后将采样的数据存储在RAM中,当数据足够后,进行FFT运算,但由于受到Nyquist采样定理的约束,要实现窄的分辨率就需要大量的的采样数据,这就使得系统不仅需要提高存储空间,而且大大的增加了运算量,同时有很多冗余输出数据,导致算法的效率非常低下。方案三:基于单片机的FFT运算采用单片机作为系统控制核心。这种方案要要求单片机除了完成高速的数据处理分析以外,还需要完成对TTL数据的高速采集,并对结果进行显示控制。8051F120虽然具有100Mbps的数据处理能力可以完成一定数量的FFT变换,但它的采集数据速率很低,分辨率会很低。方案四:单片机结合FPGA进行FFT变换由于单片机A/D采集数据速度不高,分辨力不能满足要求,而且误较大,此方案就充分考虑了精度的要求,用FPGA采集数据,把采集到的数据进行FFT运算,利用了C8051F120高速单片机内部处理数据速度很快的资源。综合比较以上方案,结合FPGA采集数据快,精确高,单片机处理数据快的特点,选择方案四。方案描述系统总体方框图如图1-1所示,系统主要由滤波电路、程控放大电路、FPGA处理器、单片机系统和键盘显示等部分组成。图1-1系统结构框图本系统首先对时域连续信号进行等间隔抽样得到,然后对离散傅里叶变换(DFT)为,再由的频谱可以计算出各频率分量的频率和幅值,最终求出各频率分量的功率以及总功率。同时,系统还以5S为周期刷新数据,并可把数据存储在存储器中回放显示。(1)系统输入阻抗系统要求输入阻抗50,本系统选用了高输入阻抗的OP07精密放大器,在其输入端并入一50电阻,通过计算可得出输入阻抗RIN=。(2)信号输入电压范围为了扩大信号动态范围,提高灵敏度,电路设计采用PGA103和PGA205级联,可使其输入电压范围从10mV10V。同时,单片机ADC输出实现自动程控增益可调。(3)输入信号频率范围为了扩大信号频率输入范围,降低高频成份的干拢,电路设计采用四阶低通滤波器,使其截止频率为10KHZ,可使10KHz以内有很好的线性,在超出范围得到迅速衰减.。同时,为了抑制定点FFT时出现频谱泄露,在FPGA内部加窗函数,使其这一现象得到较好的改善,可便输入信号频率范围从20Hz10KHz。,表示为式(1-1)式(1-1)上式表明:连