【文章內(nèi)容簡介】 采樣。 經(jīng)過 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS7819 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)由 32 位 MCU 進行 FFT 變換和處理，分析其頻譜特性和各個頻率點的功率值，然后 將這些值送由 Atmega16 進行顯示。信號由 32 位 MCU 分析后判斷其周期性，然后由 Atmegal6 進行測量，然后進行顯示。 總體設計框架圖 單元電路設計 前級阻抗匹配和放大電路設計 信號輸入后通過 R5,R6兩個 100Ohm的電阻和一個高精度儀表運放 AD620實現(xiàn)跟隨作用，由于理想運放的輸入阻抗為無窮大，所以輸入阻抗即為： R5//R6=50Ohm,阻抗匹配后的通過繼電器控制是對信號直接送給 AD 轉(zhuǎn)換還是放大 20 倍后再進行 AD 轉(zhuǎn)換。 在這道題目里，需要檢測各頻率分量及其功率，并且要測量正弦信號的失真度，這就要求在對小信號進行放大時，要盡可能少的引入信號的放大失真。正弦信號的理論計算失真度為零，對引入的信號失真非常靈敏，所以對信號的放大，運放的選擇是個重點。 我們選擇的運放是 TI公司的低噪聲、低失真的儀表放大器 INA217，其失真度在頻率為1KHz，增益為 20dB(100倍放大 )時僅為 %，其內(nèi)部原理圖 如下圖 所示。 其中放大器 A1的輸出電壓計算公式為 OUT1=1+（ R1/RG） *VIN+ 同理， OUT2=1+（ R2/RG） *VIN R R R R6及 A3 構(gòu)成減法器，最后得到輸出公式 VOUT=（ VIN2VIN1） *[1+（ R1+R2） /RG] R1=R2=5K,取 RG=526，從而放大倍數(shù)為 20。 AD 轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設計 采用 12 位 AD 轉(zhuǎn)換器 ADS7819 進行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送 32 位控制器進行處理。 功率譜測量 功率譜測量主要通過對音頻信號進行離散化處理，通過 FFT 運算，求出信號各個離散頻率點的功率值，然后得到離散化的功率譜。 由于題目要求頻率分辨力為 100Hz和 20Hz兩個檔，這說明在進行 FFT運算前必須通過調(diào)整采樣頻率 (fK)和采樣的點數(shù) (N),使其基波頻率 f為 100Hz和 20Hz。 根據(jù)頻率分辨率與采樣頻率和采樣點數(shù)的關系： f=fk/N。 可以得知， fk=N*f。 又根據(jù)采樣定理，采樣頻率 fk 必須不小于信號頻率 fm 的 2倍，即： fk=2fm。 題目要求的最大頻率為 10KHz，所以采樣頻率必須大于 20KHz，考慮到 FFT運算在 2的次數(shù)的點數(shù)時的效率較高，所以我們在 20Hz 檔時選擇 采樣率，采集 2048 個點，而在 100檔時我們選擇 ，采集 512個點。 通過 FFT 分析出不同的頻率點對應的功率后，就可以畫出其功率譜，并可以在頻域計算其總功率。 3 軟件設計 主控制芯片為 LPC2148,測量周期為 Atmega16 實現(xiàn) ,由于處理器速度較快 ,所以采用 c 語言編程方便簡單 .軟件流程圖如下： 主流程圖 周期性分析和測量流程圖 4 系統(tǒng)測試 總功率測量 （室溫條件下） 輸入信號 頻率 幅度 測量時域總功率 (w) 測量頻域總功率 (w) 理論值 估算誤差 正弦波 100Hz 1 Vpp % 1KH 1 Vpp % 音頻信號 20Hz10KHz 20mVpp5Vpp X 《 5% X 《 5% 結(jié)果分析： 由于實驗室提供的能夠模仿音頻信號的且能方便測量的信號只有正弦信號，所以我們用一款比較差點的信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，然后進行測量，發(fā)現(xiàn)誤差不達，在 +5%以內(nèi)。我們以音頻信號進行測量，由于其實際值無法測量，所以我們只能根據(jù)時域和頻域以及估計其誤差，都在 5%以內(nèi)。 單個頻率分量測量（室溫條件下） 輸入信號 頻率 幅度 最大功率頻點 最大功率頻點功率 次大功率頻點 次大功率頻點功率 正弦波 500Hz 100mVpp 500Hz 520Hz 正弦波 5KHz 1Vpp 5KHz 120mw 音頻信號 20Hz10K X 880Hz 23mw 600Hz 結(jié)果分析： 我們首先以理論上單一頻率的正弦波為輸入信號，在理想狀況下，其頻譜只 在正弦波頻率上有值，而由于有干擾，所以在其他頻點也有很小的功率。 音頻信號由于有多個頻點，所以沒有一定的規(guī)律性。由于音頻信號波動較大，沒有一定的規(guī)律，且實驗室沒有專門配置測量儀器，所以我們只好以正弦波和三角波作為信號進行定量分析測量，以及對音頻信號進行定性的分析和測量。我們發(fā)現(xiàn)其數(shù)字和用電腦模擬的結(jié)果符合得很近 。 5 結(jié)論 由于系統(tǒng)架構(gòu)設計合理，功能電路實現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達到了題目要求的各項指標。 參考文獻： 《信號與系統(tǒng)》， ALAN 著，西安：西安交通大學出版社， 1997 年； 《數(shù)字圖像處理學》，元秋奇著，北京：電子工業(yè)出版社， 2021 年； 《模擬電子線路基礎》，吳運昌著，廣州：華南理工大學出版社， 2021 年； 《數(shù)字電子技術基礎》，閻石著，北京：高等教育出版社， 1997 年； 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》，張曉麗等著，北京：機械工業(yè)出版社， 2021 年； 《 ARMamp。Linux嵌入式系統(tǒng)教程》，馬忠梅等著，北京：北京航空航天大學出版社， 2021年； 《單片機原理及應用》，李建忠著，西安：西安電子科技大學， 2021 年； 附錄： 附 1： 元器件明細 表： LPC2148 ATMEGA16 AD620 ADS7819 液晶 320*240 附 2：儀器設備清單 低頻信號發(fā)生器 數(shù)字萬用表 失真度測量儀 數(shù)字示波器 穩(wěn)壓電源