基于AD536A的多通道音頻信號監(jiān)測器設計

霍建華 王留全 安都勛

中國飛行試驗研究院測試所，西安 710089

基于AD536A的多通道音頻信號監(jiān)測器設計

霍建華 王留全 安都勛

中國飛行試驗研究院測試所，西安 710089

本文針對判斷多達64路音頻信號傳輸?shù)男盘柾ǖ拦收霞肮收习l(fā)生時間的定位和報警，設計出了一種基于AD536A真均方值轉(zhuǎn)換芯片的多通道音頻信號監(jiān)測器。該監(jiān)測器通過LED顯示器和聲音進行報警實現(xiàn)了對多通道音頻信號進行準確檢測, 故障頻道和故障時間定位,達到實時、高精度監(jiān)測的目的。

多通道音頻信號;AD536A;真均方值;監(jiān)測器

This paper focuses on up to 64 channels of audio signals locates faulted channel and failure time the problem, designs a multi-channel audio signal monitor circuit based on AD536A true mean square values conversion chip.it enables the accurate detection of,by the LED display and sound alarm, and achieves the purpose of real-time, high - precision monitoring.Key words

Multi-channel audio signal；AD536A；true mean square values；monitor

引言

在廣播電臺、有線電視臺、傳輸中心、插轉(zhuǎn)臺、發(fā)射臺等與音頻設備有關(guān)的值班監(jiān)測崗位中經(jīng)常需要對多通道的音頻信號進行監(jiān)測器[1]。在這些場合，人們經(jīng)常需要一種可以能同時對60多個通道的音頻進行監(jiān)測，同時具有鍵盤、LED顯示屏和聲音報警裝置功能的儀器在檢測到故障時，發(fā)出聲音報警，同時實時顯示故障通道和時間，以利于快捷方便的排除故障。

多通道音頻信號監(jiān)測器系統(tǒng)的研制，關(guān)鍵是依據(jù)應用條件的要求需要對音頻信號進行采集，并與設定的門限值進行比較。如果采用傳統(tǒng)的對音頻信號放大，A/D采集，并利用單片機或DSP處理器軟件計算有效值的設計方法來實現(xiàn)，那么將耗費較多的時間和精力，而且最終也未必能獲得理想的效果。為了擺脫常規(guī)設計的難度，我們采用了能夠進行真有效值直流轉(zhuǎn)換的芯片AD536A[2]來實現(xiàn)音頻信號前端處理的設計。

1 AD536A芯片簡介

AD536A是美國AD公司推出的一種專門用于真有效值—直流轉(zhuǎn)換的單片集成電路。它的性能與混合或模數(shù)器件相當甚至更優(yōu)，但其價格卻低得多。AD536A可直接計算出任何包含直流的交流分量的復雜輸入波形的真有效值，并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號。AD536A可廣泛用于標準正弦波或非周期、非正弦且疊加直流電平的各種噪聲及機械傳感信號的精確測量。

AD536A計算RMS時，首先求絕對值（整流電路）、第二步進行平方計算；第三步是平均計算，即除以反饋回來的輸出電壓；最后再經(jīng)濾波器得出結(jié)果[3]。這里很重要的一條是要求平均的時間常數(shù)要遠大于待測信號的周期，這樣才能保證測試的精度。AD536A芯片封裝和引腳有多種形式，可以靈活進行選擇，這里僅簡要結(jié)束常用的DIP-14和LCC-20兩種形式，其具體見圖1（注：圖1 中左邊的圖是LCC-20封裝，右邊的圖是DIP-14封裝）。

圖1 AD536A的兩種封裝和引腳圖

AD536A使用極其方便，只有一個外接電容CAV。因此，求平均值時的時間常數(shù)是R1CAV.時間常數(shù)的大小是影響測量精度的主要因素。若輸入信號是變化緩慢的直流信號，AD536A的輸出能夠準確地跟蹤輸入信號。對于較高頻率變化的輸入信號，AD536A的輸出就近似等于輸入信號的有效值RMS，存在直流誤差和波紋起伏。直流誤差的大小取決于輸入信號的頻率和外接電容CAV的值。輸出信號尚有波紋的起伏變化。減小波紋的一種辦法就是增加外接電容CAV的容值[4]。因為波紋的大小是反比于CAV值的，所以增加CAV的值可以有效地減小波紋的大小。對于測量低占空比的脈沖系列的輸入信號，要求平均的時間常數(shù)R1CAV至少等于7倍輸入信號周期。其典型RMS連接圖如圖2所示。

圖2 AD536A RMS電路連接圖

2 AD536A在多通道音頻信號監(jiān)測器中的硬件設計

圖4 AD536A與AD采集芯片連接電路原理圖

整個多通道音頻信號監(jiān)測器電路系統(tǒng)由三個子電路系統(tǒng)部分組成：第一個電路系統(tǒng)是音頻信號前端處理電路部分，包括多通道信號選擇、RMS有效值轉(zhuǎn)換、增益放大、A/D采集等模塊；第二個電路系統(tǒng)主要包括MCU核心控制和邏輯控制電路部分，包括單片機及其外圍電路、CPLD及其外圍邏輯控制電路、時鐘電路和220V交流轉(zhuǎn)換直流電路等模塊；第三個電路系統(tǒng)包括了控制輸入，鍵盤輸入，報警器顯示屏及聲音報警輸出電路部分，包括USB接口電路，鍵盤輸入電路，LED顯示電路和聲音警報電路，其整個電路系統(tǒng)框圖如圖3所示。

筆者主要針對AD536A在多通道音頻信號監(jiān)測器中的應用進行研究，因此僅對AD536A相關(guān)電路設計進行說明，其余電路本文不在一一說明。其電路原理圖如圖4所示。

圖3 整個硬件電路系統(tǒng)

在有主要由AD536A設計的電路系統(tǒng)中，多通道音頻信號通過多選一芯片首先進入到AD536A中，將在頻率變化范圍內(nèi)交流變化的音頻信號[5]轉(zhuǎn)換成直流有效值信號，然后濾波，放大，最后通過12位A/D采集芯片轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)輸入到微控制器中。

在設計中需要注意的是，若輸入信號是變化緩慢的直流信號，AD536A的輸出能夠準確地跟蹤輸入信號。對于較高頻率變化的輸入信號，AD536A的輸出就近似等于輸入信號的有效值RMS，存在直流誤差和波紋起伏。并且在本文的應用中，由于音頻信號的交流特性，再加上多通道的音頻信號的不斷切換。因此對電容CAV的選值和軟件中檢測音頻信號故障的門限值得設定影響是非常大的。在音頻信號一般頻率變化范圍內(nèi)，信號的幅值也比較小，在接入A/D轉(zhuǎn)換器前需要進行信號濾波和放大處理。而其轉(zhuǎn)換的音頻信號的有效值誤差的大小取決于輸入信號的頻率和外接電容的值。所以適當設計外接電容CAV的值，在有效地減小波紋的基礎上，也決定了軟件設定音頻信號門限檢測值。

3 AD536A在多通道音頻信號監(jiān)測器中的軟件設計

采用了AD536A的真有效值轉(zhuǎn)換芯片將復雜的音頻信號轉(zhuǎn)換成有效值信號進行采樣大大減少了軟件程序編寫的工作量，避免了使用主控制芯片進行復雜繁瑣的檢查計算程序的編寫，解放了MCU的工作量，提高了MCU的工作效率。如此設計一來，對音頻信號的檢測計算程序的設計就轉(zhuǎn)換成了僅僅對AD536A轉(zhuǎn)換后信號的門限值進行轉(zhuǎn)換比較的程序設計，使得整個軟件的設計簡潔可靠。其軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5 嵌入式軟件設計流程圖

從圖5所示的軟件設計流程圖中可以看到，采用了基于真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536A設計的前端硬件電路在編寫軟件時要簡單得多，避免了編寫單片機不擅長且比較耗費資源的乘除法等運算程序[6]，降低了對指令執(zhí)行速度要求，使得MCU的工作主要放在了各種命令和故障的處理上，同時提高了MCU的工作效率。

4 結(jié) 語

筆者簡要介紹了AD536A有效值轉(zhuǎn)換芯片的特性，描述了其在音頻信號監(jiān)測器軟硬件設計中的作用，并利用它快速并且可靠的實現(xiàn)了多通道音頻信號監(jiān)測器中對多達64個通道音頻信號門限值進行監(jiān)測的設計，完成對多通道音頻信號快速進行循環(huán)監(jiān)測的任務，并為小交流信號門限檢測系統(tǒng)的設計的提供了新的思路和方法。

[1]金正日，陳玉香.音頻信號在測量中應注意的問題[J].科技風，2009,19：274～276.

[2]趙鵬,李志剛.AD536A的性能及其應用[J].國外電子測量技術(shù),2004,02 ：17～19

[3]Analog Devices，Inc.AD536A data sheet.[1999～02] www.analog.com.

[4]雷有華，勾秋靜，張鐵軍. AD536A在液晶屏測試儀中的應用[J].電子技術(shù)應用，2001,07:72～74

[5]茅正沖，趙珊珊，劉帥等.語音頻譜分析儀設計[J].微計算機信息，2010,26{4}：85～86

[6]李華，孫曉明，李紅青.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002

Design of Multi-channel Audio Signal Monitor based on the AD536A

TP334.1

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.01.041

霍建華（碩士研究生），研究方向為航空遙測技術(shù)；

王留全（碩士研究生）、安都勛（高級工程師），主要研究方向為航空機載測試技術(shù)。