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台肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 摘要 本论文课题源于省十五攻关项目，主要目的是成完基于u s b 总线接口的多 通道声强数据实时采集系统的研制工作，包括信号的抗混滤波、程控放大等前置 调理功能，实现u s b 便捷快速的连接与通讯，完成各个通道间信号的高速同步 采样和控制，为“扫描声强法声源声功率测量方法”提供便捷、可靠的硬件支持。 数据实时采集系统主要由硬件采集板、固件驱动、应用程序三个部分组成。通过 软硬件的配合，系统最终可以实现四个通道并行5 0 k h z 以上采样频率的数据采 集，2 5 6 档位程控增益和0 2 0 k h z 范围内程控抗混滤波，实时大容量连续采集 等功能。同时编制了运行于w i n 9 8 ，w i n 2 0 0 0 平台的图形化多文档界面的采集应 用软件。全文在一开始分析了国内外现有声强测试设备的结构和发展趋势，并对 本课题的意义做了阐述。之后的几个章节分析了系统的总体设计，并就系统的硬 件、软件、底层驱动、高层应用、性能测试等几个方面展开了详细的讨论与分析。 关键字：声强测量；通用串行总线；驱动程序：固件 宣! ! 三些查堂堕主笙塞 量竺堂塑壁些苎塑型里坌塑墨竺墨叁矍塑制 t h e d e v e l o p m e n t o f s a m p l i n ge q u i p m e n t f o r i n t e l l i g e n t i z e ds o u n d i n t e n s i t ym e a s u r e m e n t & a n a l y s i ss y s t e m w i t h h i 【g hp e r f o r m a n c e a b s t r a e t t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ek e yp r o j e c ti n10 t hf i v e - y e a t p l a no fa n h u i m i n i s t r ys c i e n c ea n dt e e h n o l o g y t h em a i na i mi s t o d e v e l o par e a l - t i m es o u n d i n t e n s i t ys a m p l i n gs y s t e mw i t l lm u l t i p i p e sf o rs o u n di n t e n s i t y t h e s ei n c l u d ed e s i g n f o r p r o g r a m m a b l ev o l t a g ea m p l i f i e ra n dp r o g r a m b l el o wp a s sf i l t e r , r e a l i z a t i o no f f a s t t r a n s m i s s i o nu s i n gu s ba n d4 - c h a n n e l ，s i m u l t a n e o u s s a m p l i n gw i t hh i 曲s p e e d t h e d e s i g ns u p p o r t st h ep o r t a b l ea n d r e l i a b l eh a r d w a r ef o rt h em e a s u r eo fs o u n d i n t e n s i t y a n dp o w e rm e a s u r e m e n t a n dar e a l t i m es o u n d i n t e n s i t ys a m p l i n g s y s t e m i s c o m p o s e d o fh a r d w a r e ，f i r m w a r e d r i v e ra n da p ps o f t w a r e a n dt h es y s t e mh a sa b i l i t y o f4 c h a n n e l s i m u l t a n e o u s - s a m p l i n gu n d e r5 0 k h z 2 5 6s w i t c hf o rp r o g r a m m a b l e v o l t a g ea m p l i f i e r ，a n dp r o g r a m b l el o wp a s s f i l t e r t h i ss y s t e mc a ns a m p l el a r g e r e a l t i m ed a t aw i t h o u t l o s i n g a s e to fs o f t w a r e u s i n gm u l t i p l e d o c u m e n t i n t e r f a c e ( m d i ) r u n n i n g u n d e rm i c r o s o f fw i n 9 8 w i n 2 0 0 0i sd e v e l o p e d a tf i r s t t h e a v a i l a b l es o u n di n t e n s i t yi n s t m m e n t sa n dt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c ya r ed i s s e c t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n a n dt h ep u r p o r to ft h i sp r o j e c ti sd i s c u s s e d ，a t i e rt h em a i nf r a m ei s a n a l y s e d 。t h e h a r d w a r e s y s t e m ，s o f t w a r es y s t e m ，l o w l e v e l d r i v e r , h i g h l e v e l a p p l i c a t i o ni nt h ee za ds y s t e ms y s t e ma n dt e s t i n go fp e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d d e t a i l e d l y k e yw o r d ：s o u n d i n t e n s i t ym e a s u r e m e n t ；u s b ；d r i v e r ；f i r m w a r e 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审 查，确认符合合肥工业大学硕士学位 论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 委炙一啮电互一 裂一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了支中特别加咀标注和致谢的地方外，论文甲不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒里些盘堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名彦如 签字聃川钳肌旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒理些盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅a 本人授权盒鳇王些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 职易 签字日期：。 年f 月；1 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：专乏童 u 一一 签字日期：j 年f 月；，日 电话 邮编 古肥工业大学硕士论立 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 致谢 本论文是在导师李志远教授的指导下完成的，李老师高深的学术造诣，严谨 的治学态度和高度的责任心时时影响和激励着我，使我受益匪浅。在我研究生学 习阶段，李老师给了我无微不至的关怀和耐心细致的指导。无论在治学上还是在 做人上，李老师的崇高品质都深深地影响着我。两年半的学习经历将成为我人生 道路上最为宝贵的财富之一，在此我要向李老师致以最忠心的感谢。 本论文的编写还得到了计算机学院吴从中老师的大力帮助：动态测试巾心的 陆盏明老师协助完成了论文的部分测试工作。在此向他们表示深深的谢意。 同时，我还要感谢所有关心、支持我的老师、同学及朋友，感谢你们的帮助， 此外我要将我的一份祝福送给我的父母、姐姐和亲人。在我最忙的时候，他 们在生活上给了我细致全面的照顾，使得我可以静下心束专心地进行论文的撰写。 最后，我还要特别感谢我的女友，感谢她对我的理解和支持。 作者 2 0 0 3 年5 月1 日 于台肥工业大学 合肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集嚣的研制 第o 章绪论 0 1 声学及测量技术的发展 人们对声音的研究工作在很早以前就已经开始。1 9 世纪及以前两三百年，大量 声学研究成果的最后总结者是瑞利，他在1 8 7 7 年出版的两卷声学原理集经典声 学的大成，开创了现代声学研究的先河，为现代声学奠定了理论基础。2 0 世纪，由 于电子学的发展，产生了电声换能器和电子仪器设备，使得人们可以测量和分析任 何频率、任何波形以及几乎任何强度的声波，声学研究的范围远非昔日可比。由于 频率范围的扩展，现代声学发展出了超声学和次声学。手段的改善，使得人们进一 步研究听觉，又出现了生理声学、心理声学以及语言声学。随着人类科学技术的不 断进步，声学已成为一门人们普遍关注的学科，朝着各个领域不断地发展，噪声控制 就是其中的一个重要发展方向。 “绿色设计”的兴起和人们对环境保护的意识增强，使得噪声控制己成为现代 工业发展的一项重大任务。降低噪声不仅可以改善环境，而且可以减少磨损、节约 功耗、延长机器的使用寿命，提高人的工作效率。降噪和低噪设计很大程度上依赖 于声学测量。通过测量，可以了解产生振动和噪声的原因。如振动源或声源部位、 声源类别、声级或声功率级的大小、频率特性、变化规律和传播特性等等，从而可 以找到降低噪声的有效途径。 早在上个世纪初，人们就已经提出了声强测量方法。由于受到硬件技术的限制 直到8 0 年代末，声强测量法才在声学测量和信号处理方面得到了迅速的发展。传统 的声频测量通常在时域内对声( 或噪声) 信号作声压级测量并对其频域内相应的功率 谱进行分析。在整个测量过程中，往往会局限于获得声压的有效值而忽视了它的相 位。近代声强测量技术的创新点在于注意并利用了被丢失的声压相位信息，它借助 两个配对的传感器对瞬时声压作实时测量，两个传感器声学中心连线的中点作为测 点位置，连线方向作为测量轴线方向，由声压实时测量值的和及差分别确定测点处 相应的声压及轴向质点振速，再由两者的乘积确定轴向传播声波的声强。因此采用 声强测量技术在现场对噪声源进行测量，可以确定噪声源辐射声功率并可以有效地 检测到噪声源细致的分布情况。此外，在现场作吸声、隔声测量时，采用声强测量 技术也是值得推荐的。对于混响声场，采用声强测量技术也能获得有关声场扩散度 方面的信息f ”。声强的矢量性使声强测量受环境的限制极小，易于进行近场测量，可 方便地确定出主要噪声源的声全息。由于上述的众多优点，声强测量已成为近年来 用于噪声鉴别和声功率评定的主要手段之一。 0 2 声强测量设备的发展、现状和趋势 2 0 世纪6 0 年代以前，实验声源仅限于人声、乐器、音叉和哨子。频率限于可听 声范围内，可测量的声强范围也非常有限。接收仪器主要是人耳，有时用歌弧、歌 焰作定性比较，电话上的接收器和传声器还很简陋，难于用作测试仪器。 2 0 世纪6 0 年代以后，人们把电路理论应用于换能器的设计，把晶体的压电性用 于声信号耜电信号之间的转换。以后又发展了压电陶瓷、驻极体等，并用电子线路 合肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 放大和控制电信号，使声的产生和接收几乎不受频率和强度的限制。8 0 年代以后， 推出了声学测量分析系统，为声强测量的发展奠定了有力的硬件基础。 进入2 1 世纪，声学测量分析仪器的发展进入了一个全新的高度，以计算机为中 心的便携式测试设备可完成更加复杂的测试要求。6 0 年代需要几天甚至几个月才能 完成的测试分析工作，用现代设备可能只要几秒钟就可以完成。这些硬件上的手段 为声强测量技术的发展创造了很好的外部条件 2 1 。 声强测量仪器的发展推动着声强测量技术的前进，它的质量直接影响到声强分 析系统的整体性能。随着计算机行业的迅猛发展，声强测量设备的接口形式也在不 断发生着变化，国内外在这方面都做了大量的研究。美国的p c b 公司、德国的h e a d 公司以及丹麦的b & k 公司是国外最具代表性的几家公司。目前国外测量设备的数据 通信主要是使用主机上的局域网l a n 接口、1 3 9 4 火线、u s b 以及笔记本电脑的p c m c i m 接口卡等。 在国内，应用较多的有北京东方所的d a s p 、南京汽轮机厂、四川拓普、纵横等 公司生产的采集器。这些采集器接口方式主要采用内总线( i s a p c i ) 和外总线接口 ( 4 8 5 串口、e p p 并口) 形式。就接口形式而言，这些采集器在应用上都存着不足。基 于i s a 总线的设计目前已经淘汰，普通主板已不再提供i s a 槽；p c i 总线速度很快， 应用广泛。但由于是内总线，采集板需要放在机箱内部，易受机器内部器件及电源 干扰，影响了采集信号的信噪比；串口4 8 5 及并口e p p 也是技术非常成熟外部总线 接口形式，但是它们已经不能适应声强测量设备的发展，主要表现在速度不高，不 支持即插即用，热插拔等方面；同时，许多机器也不配有4 8 5 串口，有的打印机通 常占用e p p 并口，这都导致了诸多不便。使用通用串行总线u s b 接口技术可以很好 地解决这些矛盾，它具有价格便宜、即插即用、干扰小、速度快、使用方便等特点。 目前国内基于u s b 接口的测试设备研究工作正处于初步应用阶段。 0 3 本论文来源、主要内容及预期效果 声学理论的快速发展和扫描声强声功率测量方法的广泛重视，使得开发一种专用 的快速高性能实时数据采集与控制系统尤为必要。本课题来源于省“十五”科研攻 关项目“高性能智能化声强测量分析系统”，其主要目的之一是完成数据采集器的研 制工作，其中包括实现信号的抗混滤波、程控放大等前置调理以及a d c 模数转换功 能、u s b 便捷快速的连接与通讯和完成各个通道间信号的高速同步采样。为“高性能 智能化声强测量分析系统”的实现提供便捷、可靠的硬件支持。 本论文的具体研究内容主要包括： l 、多通道楼板信号的程按增益电路设计。 实现多通道相互独立的l 2 5 0 0 倍程控增益，以及系统的自校准功能。 2 、多递遭的程控低遥抗湿滤渡电路设计。 实现可控上限截止频率为i o o h z 2 5 k h z 范围的抗混滤波电路。倍频程衰减率应 达到7 5 d b ，在工作频带内，相位应线性变化。多个通道可以独立、统一进行控制。 3 、声强信号的离倍嗓泷采集电路设计。 实现四个通道至少5 0 k h z 采样频率的并行采样；单通道采样时，应能实现1 5 0 k i z 的高速采样。自动调节增益信号，并有较高的采样数据的信噪比。通道间的相位匹配 误差应小于0 5 。 4 、实现u s b 总线接口的高速实对数据传输。 合肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 实现u s b 总线的实时传输，保证多路通道至少在5 0 k h z 下并行采样、传输不丢 点，并能实时大容量连续采集与监控。采样深度只受到硬盘容量的限制。 5 实现郎捶即甬s 固佟的软舞级。 无论是设计阶段的调试更改，还是今后的软件升级，都需要固件的替换。普通的 方法是使用编程器将固件烧入片内，芯片的焊上取下，极不方便，为了彻底解决这 一问题，本论文研究并实现了固件的自动下载功能。 6 、设备功髓驱动及其调爆接b 的设计。 通过d d k 编译环境，设计将要完成设备基于w i n 9 8 、w i n 2 0 0 0 操作系统的功能驱 动程序编制工作。为了简化接口的调用与控制，设计需要封装驱动功能，并生成面 向v c 编程的通用类，命名为e zc l a s s 。 7 、甩户界面欹俘的设计。 基于w i n 9 8 、w i n 2 0 0 0 平台上，完成用户应用程序同硬件之间的接口通信，使用 多文档界面( 蹦i ) ，实现多通道同步采样的控胄4 、显示、保存、分析功能。保证应 用软件与操作系统的完全兼容。同时，应用程序需要实现后台采样功能，保证在多 任务环境下对数据采集器能够进行实时控制。 在本课题的研究中，如何实现以上各种功能和指标、提高u s b 传输效率实现 快速实时采样与传输是一个十分关键的问题，这也直接关系到省“十五”攻关课题 的顺利迸行。 本论文设计的最终成果： 本论文工作的最终成果是设计、制造出符合多维声强测试系统要求的数据采集 器硬件和相关软件。通过它们的配合可以实现四路a d 转换通道，采用符合u s b i 1 协议的外部总线接口，实现四路通道并行实时采样，每个通道最高采样频率至少为 5 0 k h z 。调理部分可以实现信号的高性能程控放大和滤波。采集模块的u s b 接口实现 总线提供部分电源，采用有效屏蔽手段提高各通道信号的信噪比，同时降低各个通 道之间的相互干扰。使用设备驱动程序，通过u s b 接口实现应用程序同硬件的高效 数据传输。主机完成显示、处理、存盘及实时控制等功能，并能进行采集系统的自 我校准。 合肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 第一章总体设计 本章将从整体的角度分析、讨论“高性能智能化声强测量分析系统”数据采集器 设计方案的结构、扩展、及性能特性。 1 1 总体结构 目前人们通常使用的测量分析系统可分为专用计算机测量系统和通用计算机测 量系统两大类。专用计算机测量系统一般是指使用基于微处理芯片的嵌入式设备进 行测量的系统。这种嵌入式设备的体积通常较小，集成度高，功能专一，且界面简 单。由于扩展性较差，专用计算机测量系统已不能满足现代测量技术的要求。随着 近几年通用计算机的飞速发展和开放式测量设备设计方案的兴起，以p c 机为中心的 测量设备被国内外众多厂商普遍看好。它具有性能稳定、扩展性好，结构合理等优 点。 本系统采用了基于通用计算机的总体结构设计。从整体角度来看，高性能智能化 声强测量设备采用主从式结构，系统由图1 - 1 如所示的软件和硬件两部分组成。硬 件系统主要实现模拟信号的调理、采样、缓存、传输、接受处理等功能，底层软件 在硬件的支持下完成设备对数据的采集功能，而应用软件则主要进行数据的接收、 显示、存盘、分析等操作。 系统 硬件系统 软件系统 信号调理部分 数据采集部分 电路保护部分 电源部分 数据缓存部分 数据传输部分 逻辑控制部分 主机部分 采集板固件 p l d 逻辑固件 驱动程序 应用程序 图1 - 1 声强测量采集系统的组成 声强测量系统的硬件框图如图卜2 所示。输入端的模拟信号由高精度的电容式 传声器产生冽。该传声器具有极大的内阻和很小的电容量。因此，为了保证测量系统 声强信号的精度，要求前置放大电路具有极高的输入阻抗和很小的输入电容。同时 为了最大限度地适应a d 的动态范围，减少模数转换的量化误差对采样精度的影响， 进一步提高信噪比，设计中需加入程控放大电路。该电路的特点是可以通过软件动 态地改变信号增益，尽可能地实现a d c 的满量程测量，从而大大提高系统对小信号 合肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 的分辨率。增益过的信号经过程控抗混低通滤波器，用以防止频率混叠现象的出现。 各通道信号最终将同时进入支持并行采样的a d c 芯片，以产生测量分析所需的实时 声强数字信号。 图l - 2 声强测量采集系统硬件框图 模数转换后的数据可以写入两片8 位宽度的f i f o ( 或双口r a m ) 中进行缓存，电 路中的u s b 芯片在上位机控制下，实时地将数据读出，固件和专用硬件机制则完成 数据的成批上传。上位机的应用软件通过驱动程序和固件联系，获得上传数据。为 了减轻接口单片机的负担，系统所有的逻辑和时钟，包括a d c 的采样控制均应由一 片c p l d 或f p g a 实现。 软件系统运行在硬件机制之上，其总体框图如图i - 3 所示。m c p u 固件和p l d 固 件主要功能是实现数据的采样、缓存，并将数据送入端口寄存器中。运行在w i n 9 8 、 w i n 2 0 0 0 平台上的应用程序通过独立的线程调用应用接1 3i o c l 函数，以便同设备驱 动程序联系，成批地访问端口寄存器数据，实现数据的上传和设备的控制。 m 设硬 c 应用程序 a p p应 备件 p ( 显示、存盘、用驱端u 分析、控制)接动 口 固 口 程寄件 序存 独立的线程 器 p l 接受上传数据d 固 w i n d o w s 9 8 ，2 0 0 0 系统 件 图1 - 3 声强测量采集系统软件框图 台肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 1 2 总体设计的扩展性、稳定性分析 在总体设计阶段，需要对系统的各个部分设计方案进行比较和分析。这些方案 的选取直接影响到总体设计的结构和组成，并最终反映到设计成果的总体性能上。 本节将从几个方面，对总体设计方案进行扩展性和稳定性分析。 1 采用主从关系的结构设计，有利于系统效率的提高。 通常基于p c 机的测量设备的结构设计方案有两种。一种是将模数转换电路集 成到一块采集板内，板内只有a d c 芯片、模拟电路及基本的逻辑电路。采集功能的 每一步都必须由p c 机通过地址操作的方式来完成。这种设计方式虽然成本很低， 但是却极大地增加了上位机的负担，对p c 机性能的要求很高，而且不易实现数据 的高速连续采样。另一种设计方案是使用主从关系的结构体系，采集模块具有独立 的采集功能。这种结构能大大减轻p c 机的负担主机只需要完成上传数据的成批 获取、分析处理和对a d 采样板实时采样控制的功能，使得系统的效率、稳定性可 以得到进一步的提高【4 】。本论文工作中采取了主从结构的设计。 2 采用独立于u s b 芯片的m c p u 结构，实现数据的采集、缓存。 基于u s b 接口的数据采集器设计需要考虑功能分配的问题。采集器的功能主要 包括数据采集、缓存、传输三个部分。功能分配的设计方案有两种，一种是使用具 有u s b 接口的单片机完成全部的功能，包括采集控制和数据上传。这种设计方案虽 然可以节约成本，但是对接口芯片提出了更高的要求。第二种方案是另外使用一片 m c p u 完成数据采集、缓存等除传输以外的大部分功能。这种设计方法可以在很大程 度上减轻u s b 接口芯片的负担，使得u s b 芯片所有的任务都集中到缓存数据的上传 上，极大地提高了传输效率，保证了采样的实时性与连续性。在本文工作中采取了 第二种设计方案。 3 采用p l d 逻辑器件，整合采集板的逻辑功能。 为了完成采集器的预定功能，系统必须实现与其功能相配合的逻辑时序。通常 设计可以采用7 4 系列及其它一些逻辑芯片( 例如计数器等) 组合的方式来完成逻辑 功能。由于这种设计需要许多芯片才能完成一个规定的时序逻辑，因此造成了整个 采集板布线和调试的不便。并且由于芯片过多，使得一个芯片的不正常工作就会影 响到整个电路，因此系统的稳定性也会受到影响。相比之下，由于可编程逻辑器件 具有较高的集成度和稳定性，使得整合逻辑到p l d 器件的方法具有更高的可靠性， 同时设计的成本也会降低。此外p l d 还具有良好的可编程性，使得系统的逻辑具有 更好的扩展性。因此本文设计工作中采用了p l d 整合逻辑的设计方案。 4 w i n d o w s 平台的应用软件使用独立的线程机制。 基于w i n d o w s 平台的软件设计可以极大地提高人机界面的灵活性。由于w i n d w o s 是一个多任务操作系统，应用程序可以使用多线程。与单线程应用程序相比，多线 程应用程序可以使用独立的线程机制来完成数据的后台获取，可以共享进程的虚拟 地址空间，访问进程的资源，处于并行执行状态，提高了应用程序的运行效率。独 立的线程空间还能大大提高系统的稳定性。所以本系统设计中，上位机的应用程序 采样线程后台的方式，实现数据的传输。 合肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 第二章前级模拟信号调理电路的设计与分析 采集器前级模拟信号调理电路，包括信号前端的程控电压放大电路、程控滤波 电路和保护电路等。本章将逐一进行讨论与分析，并给出设计方案。 2 1 程控增益 声强探头是采集系统的信号源，若探头的每个传声器接收到的声压值为4 0 d b 1 2 5 d b ，则采集板的输入电压范围为5 0 u v p 3 5 v 。普通模数转换芯片a d c 的输入电 压范围为_ 5 v ，为了能够使a d c 在接近满量程时工作，以便在a d c 量化误差固定的 情况下尽可能提高性噪比，系统必须加入程控放大电路。 2 1 1 负反馈对放大器性能的改善 放大电路的种类很多，其中负反馈电路具有良好的放大特性。虽然它使放大器 的放大倍数有所下降，但是可以从多方面改善放大器的性能1 5 1 ，现分析如下： 1 ) 放大器倍数的恒定性分析 由于多种原因，例如环境温度的变化，器件的老化和更换，以及负载的变化等， 致使电路元件参数和放大器的特性参数发生变化，因而导致放大器放大倍数发生改 变。负反馈放大器可以很好的解决这一问题。图2 - l 是它的原理框图。 图2 - i 反馈放大器的原理框图 图中x 表示一般的信号量( 电压电流) 。信号沿着箭头方向传输，源信号墨经 变换网络( 即由反馈放大器输入电阻构成的衰减电路) 后得到输入信号x i ，它与反 馈信号x f 比较后得到差值信号x d 。基本放大器和反馈网络构成的闲环电路形成了反 馈环。引入深度负反馈后，当输入信号( x i ) 一定时，电压负反馈能够改善输出电压 的恒定性。从数学表达式来看，当反馈很深，即ll + a fj ”1 或环路放大倍数i a f l ”l 时， 负反馈放大倍数表示为： a f = x o ，x = ( 1 + a 叼l 腰( 2 1 1 ) 式中，a f ：负反馈放大器放大倍数( 闭环放大倍数) ； x i ：输入信号； x o ：输出信号 a ：基本放大器的放大倍数： f ：反馈网路的反馈系数 合肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 这就是说，引入负反馈后放大器的放大倍数只取决于反馈网络，而与基本放大 - - 器y l 乎无关。反馈网络一般是由一些性能比较稳定的无源线性元件( 如r 、c ) 所组 成，因而引入负反馈后，放大倍数比较恒定。 下面对有负反馈和无负反馈的放大电路的放大倍数在数量上的相对变化作一个 比较。放大倍数的恒定性是用它的绝对值的变化来表示，使用正实数a 和i f 分别表 示放大倍数a 和反馈系数f 绝对值，则： a f = x o 砥= a ，( 1 + a 叼( 2 1 2 ) 对a 取导数得 d a f d a = ( ( 1 、) n - a r ) o 七i 对= 1 ( 1 1 3 时 或 d a s - - - - d a ( 1 十a n 以式( 2 1 2 ) 来除，得 d a f a f - - - - 1 ( 1 + 棚d a a ( 2 1 _ 3 ) 上式表明，引入负反馈后，放大倍数的相对变化是未加负反馈前放大倍数相对 变化的l ( 1 + a f ) 。而ii + a f i 是负反馈电路的反馈深度，因此深度负反馈电路可以极 大地提高放大器增益的恒定性。 2 ) 非线性失真分析 在多级放大器的最后几级，输入信号的幅度较大，在动态过程中，放大器件可 能工作到它的传输特性的非线性部分，因而使输出波形 v o i 夕产生非线性失真。 i 、，： 放大器的一种典型开环特性如图2 - 2 中的曲线l 。 i 么么一2 前面已经讨论，在深度负反馈的条件( 11 十a f l ”1 ) 下， 1 由公式( 2 1 1 ) 可知，负反馈放大器的放大倍数近似为 ，广下i f ，而与基本放大器的放大倍数几乎无关，此时输出的 i = 然簧恭黜裂戮淼豺蓦怂羹 么，l 反馈的程控增益电路能够极大地减少系统对信号的失真 影响。 图2 - 2 放大器的传输特性 3 ) 扩展频带 频率响应是放大器重要特性之一，而频带宽度也是放大器的重要技术指标。高性能 声强测量系统的设计中要求程控增益电路具有较宽的频带。引入负反馈是扩展频带的有 效措施之一。由式( 2 1 1 ) 可以看出，在深度负反馈的条件下，放大器的放大倍数只与 反馈网络的参数有关。如果反馈网络里不含l 、c 等电抗元件，而仅含有电阻，则可近似 地认为负反馈放大器的放大倍数不受频率影响为一常值，从而增加了放大器的频带宽度。 由上述分析可知负反馈电路具有增益恒定、 线性和宽频的良好特性，因此本论文采用了这种 电路设计方案，用来实现模拟信号的程控增益。 2 1 2 程控电压负反馈增益电路结构 图2 - 3 是电压串连负反馈增益电路的等 效电路图。 i 军1 2 - 3 电压串：哮反懈控增益等效图3 合肥工业大学硕士论文高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 其反馈系数为 f = v f ，v 。= r 1 ( r t + r 2 ) ( 2 1 4 ) 式中，f ：反馈系数； v f ：反馈电压： v 。：输出电压。 当il + a f i ”1 时，由( 2 1 1 ) 和( 2 1 4 ) 式可得 a f i f = 1 + r d r , ( 2 1 5 ) 可见负反馈放大电路的放大倍数由反馈系数决定( 即r 2 r 1 ) 。这在设计中可以 通过使用模拟开关实现，即只要改变反馈电阻r l 的阻值，就可以实现增益的程控功 能。设计的反馈电阻r l 由四个常值电阻并联组成，使用模拟开关可以将其组合成1 6 种不同的反馈阻值。设第一级放大电路的四个常值电阻和反馈基电阻分别为r 1 0 、 r l l 、r 1 2 、r 1 3 、r r l ，第二级放大电路的四个常值电阻和反馈基电阻分别为r 2 0 、r 2 1 、 r 2 2 、r 2 3 、r r 2 ，则可以编制相应的辅助设计程序，进行程控放大电路电阻参数的设 计。图2 4 显示了在不考虑模拟开关导通电阻时，不同电阻值所实现的2 5 6 个档位 的理论放大倍数( 二级增益) 。 图2 _ 4 程控增益辅助设计程序的计算结果 负反馈的放大倍数最小为l ，最大为i + r 2 r i m i n 。设计采用两级放大，其中每 一级的放大倍数约为5 3 ，总体程控增益的范围约为i 2 8 0 0 。本系统采用低噪声运 算放大器和模拟开关构成的程控放大电路，该电路具有输入阻抗高、性能稳定、低 成本等特点。 合肥工业大学硕士论文高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 2 2 程控滤波 如果进入模数转换器的信号含有高于奈奎斯特频率的信息，那么转换器就无法 在一个周期内对其波形进行两次采样。由于没有获取足够的信息，使得凭借这些离 散采样点的集合将不能正确地恢复原先时域中的连续信号，从而产生信号的频率混 叠【6 】。一种解决混叠现象的方法是在硬件设计中加入抗混低通滤波器。 2 2 1 程控滤波器不失真分析 设一个测量装置，其输出y ( t ) 和输出x ( t ) 满足下列关系 y ( t ) = a ox ( t - - b ) ( 2 2 1 ) 其中a 0 和t o 都是常量。此式表明了电路的输出波形和输入波形精确地一致，只 是幅值放大了a o 倍，时间上延迟了t o 而已。这种情况被认为测量装置实现了不失真 测量【”。 下面根据式( 2 2 1 ) 来考察低通滤波器的不失真频响特性。 对该式做傅里叶变换则 y ( ) - - - - a o e l ”。x ( ( i ) ) 式中：x ( ) 、y ( ) 分别是x ( t ) 和y ( t ) 的傅立叶变换。 若考虑当t 0 时，x ( t ) = 0 、y ( t ) = o ，于是有频率响应函数 h ( ) = a ( ) e 州。= y ) ，x ( ) = a o e l ”“ 可见，若要低通滤波器的输出波形不失真，则其幅频和相频特性应分别满足 a ( ) = a o = 常数( 2 2 2 ) 由( ( _ ) ) = 一t d ：( 2 2 _ 3 ) 因此为了实现信号的不失真测量，声强测量分析系统要求抗混滤波器在截止频 率之前增益尽量平坦，同时相频特性士( u ) 尽可能线性变化。 2 2 2 程控滤波设计 通常使用的程控抗混低通滤波器可分为开关电容滤波器和r c 有源滤波器两种。 r c 有源滤波器一般由r 、c 和运放组成。内部工艺和结构使得这种电路很难实现高 度集成化，而且r c 时间常数很难保证精确，因此r c 有源滤波的精度也不高。开关 电容滤波器内部为m o s 电路，和r c 有源滤波器相比，它具有集成度高、阶数高、衰 减沿陡、性能稳定、输入阻抗高、输出阻抗低、截止频率更易于程控等特点。此外 开关滤波器的时间常数仅取决于电容比，因此可以实现更高的精度 8 1 。基于以上的比 较分析，本系统抗混滤波电路采用开关电容式滤波器的设计方案。 为了能够最大程度地消除信号的高频噪声，系统要求低通滤波器的倍频程衰减 率越大越好( i 放大芯片l 夕一 图2 呻模拟输入的过压保护原理 芷 -rrl 合肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 第三章声强测量采集系统中数字电路的设计与分析 本章将主要研究采集系统中的数字电路，包括硬件系统的时钟电路、模数转换电 路、采集电路、缓存电路和p l d 逻辑电路的设计。而用于数据传输的接口电路将在 下一章节单独进行讨论。 3 1 时钟电路 数据采集系统中协调采集板正常工作的关键是定时信号。a d 采样频率、程控滤 波的截止频率都是通过定时信号来控制的。一般说来，定时信号可以用软件和硬件 两种方法来获得。 用软件方法进行定时，通常是根据需要的时间常数来设计一个延时子程序。此方 法的优点是节省硬件资源，缺点是降低了c p u 的工作效率，同时也不容易提供多作 业环境。另外，设计延时子程序时，要用指令执行时间来拼凑延时时间，因此显得 比较麻烦。硬件的方法同样也可以实现定时的功能，通常需要用到专用的计数器定 时器或其他时钟逻辑器件。硬件方法最大的优点是极大地提高了c p u 的利用率，减 轻了软件的负担。 在嵌入式微机系统中广泛采用了基于计数器定时器的硬件时钟电路，它具有成 本较低、使用方便、灵活性好等特点。因此声强测量系统选用了基于8 2 5 4 的时钟电 路设计，用于实现对采样频率和滤波频率的控制。 3 1 1 计数器8 2 5 4 功能分配 8 2 5 4 是8 2 5 3 的增强型( s u p e rs e t ) ，它具备了8 2 5 3 的全部功能、引脚和操作 方式。作为改进型芯片，它的计数频率更快，输入频率可以高达l o e z ；同时具有新 的有效控制字：读回命令。 8 2 5 4 具有3 个独立的1 6 位计数器通道( c h a n n e l ) 和6 种工作方式，可以使用 图3 一l8 2 5 4 结构框图 二进制计数或b c d 码进行计数。它的 通用性很好，其读写操作对系统时钟 没有特殊要求，主要可以用作方波频 率发生器、分频器、实时时钟、事件 计数器、单脉冲发生器【1 2 】。 图3 - 1 是8 2 5 4 的结构简图，它的 内部结构具有： 1 数据总线缓冲器：8 2 5 4 具有一个 三态、双向8 位寄存器，与系统的数 据总线相连。通过它，牝p u 向芯片写 入工作方式的命令字，向计数器写入 计数初值，或从计数器读取当前计数 值。 2 内部控制电路：当c s 为低电平 时，a 1 、a o 信号选择芯片内部寄存器， 读信号r d 和写信号躲完成对选定寄 台肥工业大学硕士论文 高性能智能化声强测量分析系统采集器的研制 存器的读写操作。c s 高电平时，数据总线缓冲器与系统数据总线脱开( 现行的计数 工作将不受影响) 。 3 控制字寄存器：在计数器初始化时，由m c 跏写入控制字，决定计数器的工作 方式； 4 计数器：8 2 5 4 具有3 个独立的计数器，每个结构完全相同。计数器对外有3 个 引脚：g a t e i ( 门控信号输入) 、c l k i ( 计数脉冲输入) 、o u t i ( 信号输出) 。 在声强数据采集器设计中，8 2 5 4 的端口地址分配为表3 1 所示：片选信号c s 等 于0 时，a i a o 等于0 0 ，地址译码为o # 计数器；a i a o 为0 1 ，地址译码为1 # 计数器； a i a o 为1 0 ，地址译码为2 # 计数器；a i a o 为1 1 ，地址译码为控制字寄存器。 表3 - 1 计数器功能分配 c sr dw ra 1a 2 操作 010o0计数初值写a o # 计数器( 用于采样频率设置) 01001计数初值写入l # 计数器( 用于滤波频率设置) - 01010计数初值写入2 # 计数器( 滤波频率设置备用) 01011向控制字寄存器写控制字( 设置8 2 5 4 工作模式) 00100读0 # 计数器当前计数值( 读取当前的采样频率) 0010l读1 # 计数器当前计数值( 读取当前滤波频率) 00110 读2 # 计数器当前计数值( 读取当前滤波频率备用) 001l1无操作 1xxx禁止 0ll 无操作 3 1 2 8 2 5 4 的工作方式的选择 8 2 5 4 的3 个计数器均有6 种工作模式，它们的主要区别是：输出波形不同，启 动计数器的触发方式不同，计数过程中门控信号g a t e 对计数操作的影响不同。另外 有的工作方式具备“初值自动重装”功能，减到规定数值后，计数器初值重装。 在本系统中选择8 2 5 4 的第3 工作