CN105871348B - 基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路 - Google Patents

基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，包括音频信号分析通道和音频信号发生通道，音频信号分析通道和音频信号发生通道通过设置多选一开关来实现连通或者断开；所述音频信号分析通道中的音频信号分析电路包括多级增益控制电路，将幅度较大信号逐级衰减，将幅度较小信号逐级放大，直到将信号幅度调整到设定的大小，在ADC采样的范围内。本发明提出的音频信号自校准技术，使得音频分析仪自身产生音频信号，经音频信号分析通道采集后，又回到音频分析仪软件，形成闭环校准，可较彻底的消除音频信号分析通道的误差，抑制噪声；这是诸如差分输入、精密电阻网络和屏蔽等传统技术抑制噪声所不能比拟的。

Description

基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路
技术领域
本发明涉及音频分析仪技术领域，尤其涉及基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路。
背景技术
音频分析仪广泛应用于军事和民用领域，可为军用电台、潜艇声呐等装备提供音频频率响应、总谐波失真等的测试；而军事装备在测试过程中输出音频信号的电压范围很大，从几毫伏到几十伏；为满足测试需求，音频分析仪输入通道需要具有较大的动态范围；而且在测量小信号时，输入通道噪声对测量结果的影响非常大，是提高测量精度的最大障碍。因此，低噪声和宽电压范围输入信号调理电路的设计对提高音频分析仪指标很重要。
目前音频分析仪中的低噪声宽电压信号调理技术多基于：差分信号输入方式、固定增益调整、采用精密电阻网络和音频信号通道屏蔽等技术实现，其中差分输入方式、精密电阻网络和屏蔽都是比较传统的技术，固定增益调整指的是，音频信号进入输入通道后，经过一个固定的增益调整进入AD采样，或者固定增益调整分为高低两档，根据输入信号幅度的大小，分别经过高固定增益调整和低固定增益调整进入AD采样。
差分输入方式、精密电阻网络和屏蔽都是比较传统的技术，对于提高音频分析仪的指标的作用有限；固定增益调整技术，为将幅度较大的信号调整到适合AD的采集范围，增益调整一般设置为较大的衰减幅度；而当小信号测量时，小信号经增益调整后到达AD端的幅度将很小，测量准确度受影响；固定增益调整分为两档，虽然可以避免上述问题，但是其增益调整选择较少，难以将信号的幅度调整到AD采样最精确的范围内，精度依然受限。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，音频分析仪自身产生音频信号，经音频信号分析通道采集后，又回到音频分析仪软件，形成闭环校准，可较彻底的消除音频信号分析通道的误差，抑制噪声。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，包括音频信号分析通道和音频信号发生通道，音频信号分析通道和音频信号发生通道通过设置多选一开关来实现连通或者断开；
所述音频信号分析通道中的音频信号分析电路包括多级增益控制电路，将幅度较大信号逐级衰减，将幅度较小信号逐级放大，直到将信号幅度调整到设定的大小，在ADC采样的范围内。
所述多选一开关为二选一开关，所述音频信号发生通道包括音频信号发生电路、第一调理电路及第一二选一开关，所述音频信号分析通道包括音频信号分析电路、第二调理电路及第二二选一开关；
音频信号发生电路连接第一调理电路后连接第一二选一开关的静触头，第一二选一开关的一个动触点连接第一接头，另一动触点连接第二二选一开关的一个动触头，第二二选一开关的另一个动触头连接第二接头，第二二选一开关的静触头连接第二调理电路后连接音频信号分析电路。
所述多级增益控制电路实现输入音频信号幅度-52dB～+36dB，步进为6dB的增益切换。
所述多级增益控制电路包括依次串联的第一衰减电路、第二衰减电路、第一放大电路、第三衰减电路及第二放大电路。
所述第一衰减电路控制信号衰减0dB、12dB、24dB和36dB。
所述第一衰减电路包括输入端和地之间串联的电阻，输入信号加到串联的电阻上到地，通过控制继电器切换不同电阻的分压信号进入通路，通过设置串联电阻的阻值，使电阻分压后的电压值，每隔一档衰减12dB，构成0dB、12dB、24dB和36dB的衰减网络。
所述第二衰减电路控制信号衰减0dB和6dB。
所述第一放大电路控制信号放大0dB、6dB、12dB和18dB，第二放大电路控制信号放大0dB和18dB。
所述第一放大电路包括运算放大器，所述运算放大器的反馈回路连接不同的电阻值，通过控制继电器控制不同的电阻接入反馈回路，实现不同的放大增益。
所述第三衰减电路控制信号衰减0dB和12dB。
本发明的有益效果：
本发明提出的音频信号自校准技术，使得音频分析仪自身产生音频信号，经音频信号分析通道采集后，又回到音频分析仪软件，形成闭环校准，可较彻底的消除音频信号分析通道的误差，抑制噪声；这是诸如差分输入、精密电阻网络和屏蔽等传统技术抑制噪声所不能比拟的。
本发明提出的音频信号分析通道的五级动态增益控制，动态的实现音频信号-52dB～36dB增益控制，使任何幅度的信号都可以被ADC准确采集，避免了固定增益控制或者高低档位固定增益控制导致的信号增益调整后，依然无法准确被ADC采集的问题。
附图说明
图1为音频信号分析通道和音频信号发生通道连接示意图；
图2为五级增益控制示意图；
图3为第一衰减电路图；
图4为第一放大电路图。
其中，1.串联电阻，2.继电器，3.反馈电阻。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，包括音频信号分析通道和音频信号发生通道，音频信号分析通道有两个，音频信号发生通道也有两个。通过内部开关设置，控制音频信号发生通道与音频信号分析通道连接或者断开，如图1所示是自校准技术通道意图。
所述音频信号发生通道包括音频信号发生电路、第一调理电路及第一二选一开关，所述音频信号分析通道包括音频信号分析电路、第二调理电路及第二二选一开关；
音频信号发生电路连接第一调理电路后连接第一二选一开关的静触头，第一二选一开关的一个动触点连接第一接头，另一动触点连接第二二选一开关的一个动触头，第二二选一开关的另一个动触头连接第二接头，第二二选一开关的静触头连接第二调理电路后连接音频信号分析电路。
音频分析仪正常运行时，二选一开关打到A端，音频信号发生通道和音频信号分析通道断开，音频信号发生通道的信号输出到第一接头上，音频信号分析通道分析来自第二接头输入的信号。
自校准时，二选一开关打到B端，使音频信号发生通道输出的音频信号直接输入到音频信号分析通道中，使二者相互连接，组成了完整的闭环；音频信号发生通道输出的音频信号作为标准，输入到音频信号分析通道，实现音频信号分析通道的校准，消除输入音频信号分析通道中调理电路等的固有误差，抑制噪声。
如图2所示，所述音频信号分析通道中的音频信号分析电路包括多级增益控制电路，将幅度较大信号逐级衰减，将幅度较小信号逐级放大，直到将信号幅度调整到设定的大小，在ADC采样的范围内。所述多级增益控制电路包括依次串联的第一衰减电路、第二衰减电路、第一放大电路、第三衰减电路及第二放大电路。实现输入音频信号幅度-52dB～+36dB，步进为6dB的增益切换。
所述第一衰减电路控制信号衰减0dB、12dB、24dB和36dB。
如图3所示，所述第一衰减电路包括输入端和地之间的串联电阻1，输入信号加到串联的电阻上到地，通过控制继电器2切换不同电阻的分压信号进入通路，通过设置串联电阻的阻值，使电阻分压后的电压值，每隔一档衰减12dB，构成0dB、12dB、24dB和36dB的衰减网络。
第一衰减电路包括继电器K11、K13、K15，都采用G6KU-2G-Y-DC5，继电器K15的6引脚为正输出端。正信号输入端IN+与地AD_GND之间依次串联电阻R112、R99、R98和R103，正信号输入端IN+与地AD_GND之间还串联电阻R111和R116。
电阻R112的两端并联电容C107，且电阻R112的一端接入继电器K11的5引脚，另一端接入继电器K13的5引脚，同时继电器K13的5引脚还接电容C103后接地AD_GND。
电阻R98的一端接继电器K15的5引脚，另一端接继电器K15的7引脚。
电阻R103不接地的一端接继电器K15的7引脚。
继电器K11的8引脚和1引脚、K13的8引脚和1引脚、K15的8引脚和1引脚是继电器的控制引脚，分别接逻辑控制器如FPGA等，C0_-36_24_N、C0_-36_24_P、C0_-12_N、C0_-12_P、C0_0_N和C0_0_P是控制信号线的网络标识。继电器K15的6引脚接继电器K13的7引脚，继电器K13的6引脚接继电器K11的7引脚，继电器K15的5引脚和4引脚之间串联有电阻R201和电容C276；继电器K13的5引脚和4引脚之间串联有电容C272。
负信号输入端IN-与正信号输入端IN+连接的电路类似，负信号输入端IN-和负信号输出端IN-之间连接的电路与正信号输入端IN+和正信号输出端IN+之间连接的电路关于继电器K11、K13、K15成镜像对称，串联的电阻R112、R99、R98和R103与电阻R109、R96、R97和R102的功能相似，电阻R111和R116相应的为R115和R110，电容C107和C103相应的为C106和C102。
所述第二衰减电路控制信号衰减0dB和6dB。
所述第一放大电路控制信号放大0dB、6dB、12dB和18dB，第二放大电路控制信号放大0dB和18dB。
如图4所示，所述第一放大电路包括运算放大器，所述运算放大器的反馈回路连接不同的电阻值，通过控制继电器控制不同的电阻接入反馈回路，使得反馈电阻3大小不同实现不同的放大增益。
第一放大电路包括运算放大器N40、运算放大器N39，继电器K10和K8；运算放大器N40的正输入端3为信号正输入端，运算放大器N40的输出端6为信号正输出端，运算放大器N40的输出端6与输入端2之间并联三条支路，一条上串联电容C97，一条上串联电阻R88和电容C101，另一条上依次串联电阻R84和R94；
运算放大器N40的输出端6还连接继电器K8的7引脚，串联电阻R84和R94的公共端与继电器K8的6引脚之间连接电阻R80，电阻R94与运算放大器N40的负输入端2相连的一端还连接继电器K10的6引脚，电阻R94的另一端连接继电器K10的7引脚，继电器K8的5引脚和4引脚连在一起，继电器K10的5引脚和4引脚之间连接电阻R90；
运算放大器N40的负电源引脚4接电源的同时与地AD_GND之间还并联极性电容C271和电容C270；运算放大器N40的正电源端引脚7接电源的同时与地AD_GND之间还并联极性电容C259和电容C260。
继电器K10的8引脚和1引脚、继电器K8的8引脚和1引脚是继电器的控制引脚，分别接逻辑控制器如FPGA等，C1_UN1_N、C1_UN1_P、C1_UN2_N和C1_UN2_P是控制信号线的网络标识。
运算放大器N39的正输入端3为信号负输入端，其连接关系与运算放大器N40的连接关系关于两个继电器K10和K8成镜像对称。
所述第三衰减电路控制信号衰减0dB和12dB。
在音频信号分析通道采集信号过程中，根据采集到的信号的幅度，动态调整音频信号分析通道的这五级增益，将幅度较大信号逐级衰减，将幅度较小信号逐级放大，直到将信号幅度调整到合适大小，使无论是幅度较大的信号还是幅度较的小信号，增益调整后的信号幅度都可以达到ADC的输入满量程电平，进入ADC采样最精确的范围，保证测量精度和动态范围。
第二衰减电路和第三衰减电路与第一衰减电路类似，不再给出，第二放大电路和第一放大电路也类似，本实例中不再给出，
本发明将音频分析仪的音频发生功能产生的音频信号作为标准，用来校准音频信号分析通道，形成闭环校准，可以较彻底的消除音频信号分析通道中的固有误差，很大程度的抑制噪声。
本发明音频信号分析通道的五级增益控制设计可使信号幅度在-52dB～+36dB范围内，以6dB为步进衰减或者放大。可使ADC准确采样幅度范围几十伏到几毫伏的信号。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，其特征是，包括音频信号分析通道和音频信号发生通道，音频信号分析通道和音频信号发生通道通过设置多选一开关来实现连通或者断开；
所述音频信号分析通道中的音频信号分析电路包括多级增益控制电路，将幅度较大信号逐级衰减，将幅度较小信号逐级放大，直到将信号幅度调整到设定的大小，在ADC采样的范围内；
所述多级增益控制电路包括依次串联的第一衰减电路、第二衰减电路、第一放大电路、第三衰减电路及第二放大电路；
第一放大电路包括运算放大器N40、运算放大器N39，继电器K10和K8；运算放大器N40的正输入端3为信号正输入端，运算放大器N40的输出端6为信号正输出端，运算放大器N40的输出端6与输入端2之间并联三条支路，一条上串联电容C97，一条上串联电阻R88和电容C101，另一条上依次串联电阻R84和R94；
运算放大器N40的输出端6还连接继电器K8的7引脚，串联电阻R84和R94的公共端与继电器K8的6引脚之间连接电阻R80，电阻R94与运算放大器N40的负输入端2相连的一端还连接继电器K10的6引脚，电阻R94的另一端连接继电器K10的7引脚，继电器K8的5引脚和4引脚连在一起，继电器K10的5引脚和4引脚之间连接电阻R90；
运算放大器N40的负电源引脚4接电源的同时与地AD_GND之间还并联极性电容C271和电容C270；运算放大器N40的正电源端引脚7接电源的同时与地AD_GND之间还并联极性电容C259和电容C260；
继电器K10的8引脚和1引脚、继电器K8的8引脚和1引脚是继电器的控制引脚，分别接逻辑控制器；
运算放大器N39的正输入端3为信号负输入端，其连接关系与运算放大器N40的连接关系关于两个继电器K10和K8成镜像对称。
2.如权利要求1所述基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，其特征是，所述多选一开关为二选一开关，所述音频信号发生通道包括音频信号发生电路、第一调理电路及第一二选一开关，所述音频信号分析通道包括音频信号分析电路、第二调理电路及第二二选一开关；
音频信号发生电路连接第一调理电路后连接第一二选一开关的静触头，第一二选一开关的一个动触点连接第一接头，另一动触点连接第二二选一开关的一个动触头，第二二选一开关的另一个动触头连接第二接头，第二二选一开关的静触头连接第二调理电路后连接音频信号分析电路。
3.如权利要求1所述基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，其特征是，所述多级增益控制电路实现输入音频信号幅度-52dB～+36dB，步进为6dB的增益切换。
4.如权利要求1所述基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，其特征是，所述第一衰减电路控制信号衰减0dB、12dB、24dB和36dB。
5.如权利要求1或4所述基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，其特征是，所述第一衰减电路包括输入端和地之间串联的电阻，输入信号加到串联的电阻上到地，通过控制继电器切换不同电阻的分压信号进入通路，通过设置串联电阻的阻值，使电阻分压后的电压值，每隔一档衰减12dB，构成0dB、12dB、24dB和36dB的衰减网络。
6.如权利要求1所述基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，其特征是，所述第二衰减电路控制信号衰减0dB和6dB。
7.如权利要求1所述基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，其特征是，所述第一放大电路控制信号放大0dB、6dB、12dB和18dB，第二放大电路控制信号放大0dB和18dB。
8.如权利要求7所述基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，其特征是，所述第一放大电路包括运算放大器，所述运算放大器的反馈回路连接不同的电阻值，通过控制继电器控制不同的电阻接入反馈回路，实现不同的放大增益。
9.如权利要求1所述基于自校准和动态增益调整的低噪宽压音频信号调理电路，其特征是，所述第三衰减电路控制信号衰减0dB和12dB。
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