基于USB的音频信号分析仪设计

摘要：为了对铁路信号进行分析，系统采用一种基于USB接口的虚拟信号分析仪实现方法。以FPGA为主控芯片，采用高速A／D转换器进行音频信号采集，USB接口传输，LabVIEW平台实现信号分析。具有开发成本低，便于重构的优点。测试结果表明，系统功能正常，性能稳定。
关键词：音频分析；虚拟仪器；FPGA；USB

0 引言
音频分析仪是一种利用频谱分析原理，以数字信号处理为分析手段，提取信号在时域、频域内一系列特性的过程，是对音频信号进行频率、频谱及波形分析的一种测量工具，应用于电声测量、音频制作、信号分析乃至振动测试等领域。
早期的音频测量一般是利用频率计、示波器及频谱仪等组合成一套测试系统。这种测试系统中间环节多，各环节之间接口匹配较为困难，使用起来比较麻烦，测量结果往往也不精确。目前虽然大部分的音频分析仪已向集成化方向发展，但仍以硬件电路实现传统意义上的音频分析，有着自身无法克服的缺点。为此，本文提出了一种利用虚拟仪器技术来实现音频分析的设计方案。

1 系统总体设计
本设计采用FPGA为系统的主控制芯片，完成音频信号采集，数模转换，数据传输等功能，并在虚拟仪器软件的基础上确定了一种方便可行的音频分析仪的设计方法。

系统总体设计框图如图1所示。音频信号经过前置放大器进行放大后进入A／D转换器，经过转换得到数字信号，存入FIFO缓存区，数据在FPGA主芯片中进行编排控制，经过USB接口传送给计算机，最后由LabVIEW来完成音频信号的处理并显示结果。

2 系统硬件设计
系统硬件电路的核心芯片选用Altera公司CycloneⅢ系列FPGA EP3C25，该器件密度为18万门，最高工作频率高达300 MHz，完全可满足高速数据采样速率时序要求。
2．1 前置放大电路设计
前置放大电路用于将信号放大到A／D转换器要求的电压范围。为保证放大电路的性能指标，采用AD公司的高频宽带运放AD811为核心进行设计，如图2所示。AD811 3 dB带宽高达140 MHz，并且具有2 500 V／μs的速度，差分增益误差小于0．01％，0．01°差分相位，电流噪声为1．9 nV。

前置放大电路的VIN为信号输入口，U3和U4设计为反相和同相放大电路，以构成单端输入至差分平衡输入转换电路，以满足A／D转换器对信号形式的要求。
2．2 高速A／D转换电路
A／D转换电路采用TI公司的双通道高速A／D转换器ADS2807。ADS2807集成了高带宽跟踪保持电路，即使在高达或超出奈斯奎特速率的情况下，同样具有优秀的噪声性能。该跟踪保持电路和ADC电路的差动特性不仅能够最大程度地减小偶阶谐波，而且可提供优秀的共模噪声抑制性能。ADS2807的信噪比为65 dB，无杂散信号动态范围为70 dB。高速A／D转换电路如图2所示。