CN113325214A - 支持声音分析和触发的示波器 - Google Patents
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Abstract
一种支持声音分析和触发的示波器，包括第一信号通道、第二信号通道和控制处理模块，通过第一信号通道对电信号进行采集和处理，第二信号通道对声音信号进行采集和处理，控制处理模块能够同时对第一信号通道采集的电信号和第二信号通道采集的声音信号进行波形处理，以对所采集的信号的波形进行分析，此外，控制处理模块还能够对第一信号通道和/或第二信号通道采集的信号进行触发处理，以执行示波器的触发功能，使得示波器同时具有声音信号和电信号分析、触发的功能。
Description
技术领域
本发明涉及示波器技术领域，具体涉及一种支持声音分析和触发的示波器。
背景技术
随着科技的进步，生活中与声音相关的电子设备越来越多，需要同时测量声音信号的和电信号的场合越来越多，如汽车音频领域、声控设备领域。
例如，声控设备领域，对声控设备的测试是以声音信号为触发源，触发条件是声压级、频率等。同时，用电压探头测量声控设备的电信号，可以测量出声控设备的电气参数对触发声音特征的影响。
再例如，汽车音频领域，对汽车音响、喇叭性能的测量及维修时，需使用示波器的上音频分析功能，可以快速对汽车音响、喇叭性能情况进行诊断，利用声音信号和电压信号的组合测试，方便进一步维修。
PC机和手机虽然有很多音频分析软件，但功能简单，且不支持同时测量电信号和声音信号，此外，还可以使用麦克风模块、电压探头、示波器组合测量，但接线麻烦，不方便使用。因此，目前还没有仪器可以同时测量电信号和声音信号。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种支持声音分析和触发的示波器，能够同时支持声音信号和电信号的分析、触发。
根据第一方面，一种实施例中提供一种支持声音分析和触发的示波器，包括：
多个第一信号通道，每个所述第一信号通道用于对输入到示波器的电信号进行采集和处理；
第二信号通道，用于对输入到示波器的声音信号进行采集和处理；
连接于多个第一信号通道和第二信号通道的控制处理模块，用于对第一信号通道和第二信号通道采集的信号进行波形处理，以对所采集的信号的波形进行分析；
所述控制处理模块还用于对第一信号通道和/或第二信号通道采集的信号进行触发处理，以执行示波器的触发功能。
在一实施例中，所述第二信号通道包括：。
麦克风传感器，用于采集输入到示波器的声音信号，并将所述声音信号转换为对应的电信号；
音频接口，用于接收外部传声器输入的电信号，所述电信号由外部传声器接收的声音信号转换得到；
模拟选择开关，包括第一端、第二端和控制端，所述第一端在麦克风传感器和音频接口之间进行切换，所述第二端用于输出所述电信号，所述控制端与控制处理模块连接，用于控制第一端连接麦克风传感器或者音频接口；
连接于所述模拟选择开关的第二端的信号处理模块，用于对所述模拟选择开关输出的电信号进行处理和采样，得到数字信号，并将所述数字信号输出至控制处理模块。
在一实施例中，所述信号处理模块包括：
连接于控制处理模块的偏置电路，用于接收所述控制处理模块输出的偏置控制信号，输出与所述偏置控制信号对应的偏置信号；
连接于偏置电路和模拟选择开关的第二端的加法器，用于接收所述偏置信号和电信号，对偏置信号和电信号进行相加处理后输出；
连接于加法器的可调增益放大器，用于接收所述控制处理模块输出的增益控制信号，并确定与所述增益控制信号对应的增益，根据所述增益对加法器输出的电信号的增益进行调整；
连接于可调增益放大器的第二模数转换器，用于对可调增益放大器输出的电信号进行采样，得到采样后的数字信号，并输出所述数字信号至控制处理模块。
在一实施例中，所述第一信号通道包括：
信号采集前端，用于采集输入的信号数据；
第一模数转换器，用于对采集的信号数据进行采样，并将采样后的信号数据输出至控制处理模块。
在一实施例中，所述第二模数转换器的采样率小于第一模数转换器的采样率；第二模数转换器的采样精度大于第一模数转换器的采样精度。
在一实施例中，所述控制处理模块还用于：
接收用户输入的传声器灵敏度校准指令，所述传声器包括麦克风传感器或者外部传声器；
控制传声器接收标准声音信号；
对可调增益放大器的增益进行调节，判断是否能够找到至少一个增益能够使得第二模数转换器输出预设范围内的数字信号；
若能够找到至少一个增益，获取所述标准声音信号对应的电信号对应的电学参数；
根据所述标准声音信号的声学参数和所述电信号对应的电学参数，确定所述传声器的灵敏度，并保存所述传声器的灵敏度。
在一实施例中，所述标准声音信号由声级校准器输出。
在一实施例中，所述标准声音信号的声学参数为所述标准声音信号的声压值；所述电信号对应的电学参数为所述电信号的电压峰-峰值。
在一实施例中，所述根据所述标准声音信号的声学参数和所述电信号对应的电学参数，确定所述传声器的灵敏度，包括：
根据以下公式得到所述传声器的灵敏度：
a=y/x
其中，a为传声器的灵敏度，x为标准声音信号的声压值，y为标准声音信号对应的电信号的电压峰-峰值。
在一实施例中，还包括：
显示器，用于显示所述传声器的灵敏度。
依据上述实施例的支持声音分析和触发的示波器，通过第一信号通道对电信号进行采集和处理，第二信号通道对声音信号进行采集和处理，控制处理模块能够同时对第一信号通道采集的电信号和第二信号通道采集的声音信号进行波形处理，以对所采集的信号的波形进行分析，此外，控制处理模块还能够对第一信号通道和/或第二信号通道采集的信号进行触发处理，以执行示波器的触发功能，使得示波器同时具有声音信号和电信号分析、触发的功能。
附图说明
图1为一种实施例的支持声音分析和触发的示波器的结构示意图；
图2为一种实施例的支持声音分析和触发的示波器的电路示意图；
图3为4选一模拟选择开关的电路示意图；
图4为偏置电路的电路示意图；
图5为加法器电路示意图；
图6为可调增益放大器和第二模数转换器的电路示意图；
图7为一种实施例的传声器灵敏度校准方法流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
请参考图1，图1为一种实施例的支持声音分析和触发的示波器的结构示意图，以下简称示波器，示波器包括：多个第一信号通道10、第二信号通道20和控制处理模块30。
第一信号通道10用于对输入到示波器的电信号进行采集和处理。
第二信号通道20用于对输入到示波器的声音信号进行采集和处理。
控制处理模块30与多个第一信号通道和第二信号通道均连接，用于对第一信号通道和第二信号通道采集的信号进行波形处理，以对所采集的信号的波形进行分析。
控制处理模块30还用于选择第一信号通道和/或第二信号通道采集的信号作为触发信号，以执行示波器的触发功能。
在一实施例中，请参考图2，第二信号通道20包括：麦克风传感器21、音频接口22、模拟选择开关23和信号处理模块24。
麦克风传感器21用于采集输入到示波器的声音信号，并将声音信号转换为对应的电信号。本实施例中的麦克风传感器为示波器内部嵌入的麦克风传感器，其能够接收外部的声音信号，并根据麦克风传感器自身的灵敏度将声音信号转换为对应的电信号，例如，声音信号的声压为x，麦克风传感器的灵敏度为a，则转换后对应的电信号的电压y=a*x，综上，可根据测得的电信号波形以及麦克风传感器的灵敏度，得到声音信号的声压波形。
音频接口22用于接收外部传声器输入的电信号，其中，电信号由外部传声器接收的声音信号转换得到。
上述麦克风传感器21可以理解为示波器自身内置的传声器，示波器可无需借助外部设备即可对声音信号进行采集和转换。然而，在一些应用场合，需借助外部传声器来采集声音信号，因此，本实施例提供的示波器还设置有用于连接其他外部传声器的音频接口。
本实施例中的音频接口为4芯音频接口，其用于连接外部传声器与示波器，外部传声器可以为外部麦克风或者其他声源设备，4芯音频接口包括3个输出引脚，分别为MIC引脚、R引脚和L引脚，MIC引脚与外部传声器的输出引脚连接，R引脚用于输出外部传声器采集的信号中的右声道信号，L引脚用于输出外部传声器采集的信号中的左声道信号。
模拟选择开关23包括第一端、第二端和控制端，其中第一端在麦克风传感器和音频接口之间进行切换，第二端用于输出电信号，控制端与控制处理模块连接，用于控制第一端连接麦克风传感器或者音频接口。
在本实施例中，模拟选择开关为4选一模拟选择开关，其中第一端包括A引脚、B引脚、C引脚和D引脚，A引脚与麦克风传感器连接，B引脚与音频接口的MIC引脚连接，C引脚与音频接口的R引脚连接，D引脚与音频接口的L引脚连接，模拟选择开关在控制端接收的模拟开关控制信号的控制下，选择输出A引脚、B引脚、C引脚和D引脚中的一个引脚输入的信号，并将所选择引脚输入的信号通过第二端进行输出。
请参考图3，图3为4选一模拟选择开关的电路示意图，其中SEL1引脚、SEL2引脚、SEL3引脚和SEL4引脚分别接收控制处理模块发送的模拟开关控制信号，当SELx（x=1、2、3、4）为高电平时，对应的内部开关SWx闭合，即可通过模拟开关控制信号控制内部开关SW1、SW2、SW3和SW4的关断和闭合，此外控制处理模块发送的模拟开关控制信号需要避免任意两个或者两个以上内部开关同时闭合的情况，4选一模拟选择开关的第二端VOICE_OUT根据内部开关开启或者关闭的情况，输出A引脚、B引脚、C引脚、D引脚中一个引脚接收的信号。本实施例中的4选一模拟选择开关的型号为TMUX6112。
信号处理模块24与模拟选择开关23的第二端连接，信号处理模块24用于对模拟选择开关23输出的电信号进行处理和采样，得到数字信号，并将数字信号输出至控制处理模块。
在一实施例中，信号处理模块24包括：偏置电路2401、加法器2402、可调增益放大器2403和第二模数转换器2404。
偏置电路2401与控制处理模块连接，偏置电路2401用于接收控制处理模块输出的偏置控制信号，输出与偏置控制信号对应的偏置信号。
请参考图4，图4为一种实施例的偏置电路的电路示意图，偏置电路包括数模转换器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2和第一放大器U2，其中数模转换器U1的VREFIO引脚通过第一电容C1接地，数模转换器U1的VDD引脚连接第一电压提供端和第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端接地，第一电压提供端用于输出﹢5V直流电压，数模转换器U1的AGND引脚接地，数模转换器U1的SPI2C引脚通过第一电阻R1接地，数模转换器U1的VOUT引脚通过第二电阻R2连接第一放大器U2的正相输入端，第一放大器U2的负相输入端通过第四电阻R4连接第一放大器U2的输出端，第一放大器U2的负相输入端还通过第三电阻R3连接数模转换器U1的VREFIO引脚，第一放大器U2的输出端为偏置电路的输出端VOICE_OFFSET。
本实施例中的数模转换器U1的型号为ADC80501，ADC80501的模拟输出电压范围是0V至2.5V，偏置电路提供的偏置电压在-2.5V至2.5V。
由于数模转换器U1的VREFIO引脚输出的参考电压的典型值为2.5V，按照数模转换器U1输出电压和参考电压之间的关系，数模转换器U1的OUT引脚输出的电压的范围是0V至2.5V。此外，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4的阻值均为10KΩ，第一电容C1的电容为10uF，第二电容C2的电容为100nF。
根据以下公式可得到偏置电路的输出端VOICE_OFFSET输出电压的值为-2.5V至2.5V。
其中，
为数模转换器U1的VOUT引脚输出的电压，
为数模转换器U1的VREFIO引脚输出的电压，
为偏置电路输出的电压。
加法器2402连接于偏置电路和模拟选择开关的第二端之间，用于接收偏置信号和电信号，对偏置信号和电信号进行相加处理后输出。
请参考图5，图5为一种实施例的加法器电路示意图，加法器包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第三电容C3和运算放大器U3。其中，第六电阻R6的一端与偏置电路的输出端连接，第六电阻R6的另一端连接第五电阻R5的一端、第七电阻R7的一端和运算放大器U3的负相输入端，第三电容C3的一端连接模拟选择开关的第二端，第三电容C3的另一端连接第五电容R5的另一端，运算放大器U3的正相输入端接地，第七电阻R7的另一端连接运算放大器U3的输出端，运算放大器U3的输出端为加法器的输出端。其中，第三电容C3为隔直电容，其可以选择1uF的贴片陶瓷电容。加法器的输出电压计算公式如下：
其中，
为加法器输出的电压，
为模拟选择开关的第二端输出的电压，
为偏置电路输出的电压。
可调增益放大器2403与加法器2402连接，可调增益放大器用于接收控制处理模块输出的增益控制信号，并确定与增益控制信号对应的增益，根据增益对加法器输出的电信号的增益进行调整。
第二模数转换器2404与可调增益放大器2403连接，第二模数转换器用于对可调增益放大器输出的电信号进行采样，得到采样后的数字信号，并输出所述数字信号至控制处理模块。
请参考图6，图6为可调增益放大器和第二模数转换器的电路示意图，其中可调增益放大器为PGA，其型号为PGA2500，可调增益放大器对加法器输出的信号进行增益放大，使信号尽量落在第二模数转换器的满量程尽量大的范围内，提高测量精度，本实施例中第二模数转换器的型号可以为PCM1804、PCM4202。此外，可调增益放大器还能把单端信号转换为差分信号，因为加法器输出的中间电压是0V，所以本实施例将可调增益放大器的负输入端接地处理。同时第二模数转换器的共模输入接到可调增益放大器的共模输出，使可调增益放大器的输出共模电压和第二模数转换器的输入共模电压匹配。可调增益放大器和第二模数转换器之间通过RC电路连接，RC电路组成抗混叠滤波器，该抗混叠滤波器的截止频率为1/（2π*2R8*C4），该截止频率低于采样频率192KHz的1/2.56且高于20KHz即可。可调增益放大器输出的信号经第二模数转换器采样后通过SPI输出数字信号到控制处理模块，控制处理模块对数字信号进行触发处理、波形还原、波形分析等处理。
需要说明的是，根据奈圭斯特采样定理，如果模数转换时输入模拟信号的频率超过采样率的1/2，那么高频就会混叠到低频，生成“假波”，对模数转换输出的信号造成干扰，因此本实施例在可调增益放大器和第二模数转换器之间连接了抗混叠滤波器，可以起到防止超过1/2采样频率的信号进入第二模数转换器的输入端，本实施例中的抗混叠滤波器可以是RC低通滤波器。
在本实施例中，第一信号通道包括：信号采集前端11和第一模数转换器12。
其中，信号采集前端11用于采集输入的信号数据；第一模数转换器12用于对采集的信号数据进行采样，并将采样后的信号数据输出至控制处理模块。
需要说明的是，本实施例中的第一信号通道为现有示波器中的信号处理通道，此处不再赘述。
本实施例中的第二模数转换器为低采样率高精度ADC，第一模数转换器为高采样率低精度ADC，因此，第二模数转换器的采样率小于第一模数转换器的采样率；第二模数转换器的采样精度大于第一模数转换器的采样精度。
当模拟选择开关选择麦克风传感器（内部麦克风）输入的信号时，麦克风传感器用于将声压转变为电压输出，其转变关系是麦克风传感器的灵敏度，单位是V/Pa或者dBV/Pa。例如型号为CMA-4544PF的麦克风传感器的典型灵敏度6.3mV/Pa，即受到1Pa声压输出6.3mV电压。此时，第二信号通道的灵敏度为麦克风传感器的灵敏度乘以加法器的增益乘以可调增益放大器的增益，第二信号通道的灵敏度的计算公式如下。
其中，VADC为第二模数转换器模拟输入信号的电压，SENMIC为麦克风传感器的灵敏度，GADD为加法器的增益，GVGA为可调增益放大器的增益。
无论是示波器内置的麦克风传感器，还是外部接入的外部传声器，其在使用之前均需对灵敏度进行校准，请参考图7，校准方法如下：
S101，接收用户输入的传声器灵敏度校准指令，本实施例中的传声器包括麦克风传感器或者外部传声器。
S102，控制传声器接收标准声音信号。
S103，对可调增益放大器的增益进行调节，判断是否能够找到至少一个增益能够使得第二模数转换器输出预设范围内的数字信号。
S104,若能够找到至少一个增益，获取所述标准声音信号对应的电信号对应的电学参数。
S105,根据所述标准声音信号的声学参数和所述电信号对应的电学参数，确定所述传声器的灵敏度，并保存传声器的灵敏度。
本实施例中，标准声音信号的声学参数为标准声音信号的声压值；电信号对应的电学参数为电信号的电压峰-峰值。
其中，根据标准声音信号的声学参数和电信号对应的电学参数，确定传声器的灵敏度，包括：
根据以下公式得到传声器的灵敏度：
a=y/x
其中，a为传声器的灵敏度，x为标准声音信号的声压值，y为标准声音信号对应的电信号的电压峰-峰值。
在本实施例中，控制处理模块确定的传声器灵敏度在显示器上显示给用户。
在一实施例中，当选择示波器内置的麦克风传感器时，需在示波器出厂前，对内置的麦克风传感器按照上述校准方法进行校准。
在另一实施例中，当选择外部传声器时，用户需要按照上述校准方法先对外部传声器的灵敏度进行校准，或者直接输入已知灵敏度，确定灵敏度后可以通过外部传声器去收集声音波形，这样可以测试耳机的灵敏度。例如，若选择输入的声音信号为音频接口的R引脚和L引脚输入时，示波器可测量得到对应的电压信号为：
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种支持声音分析和触发的示波器，其特征在于，包括：
多个第一信号通道，每个所述第一信号通道用于对输入到示波器的电信号进行采集和处理；
第二信号通道，用于对输入到示波器的声音信号进行采集和处理；
连接于多个第一信号通道和第二信号通道的控制处理模块，用于对第一信号通道和第二信号通道采集的信号进行波形处理，以对所采集的信号的波形进行分析；
所述控制处理模块还用于对第一信号通道和/或第二信号通道采集的信号进行触发处理，以执行示波器的触发功能。
2.如权利要求1所述的示波器，其特征在于，所述第二信号通道包括：
麦克风传感器，用于采集输入到示波器的声音信号，并将所述声音信号转换为对应的电信号；
音频接口，用于接收外部传声器输入的电信号，所述电信号由外部传声器接收的声音信号转换得到；
模拟选择开关，包括第一端、第二端和控制端，所述第一端在麦克风传感器和音频接口之间进行切换，所述第二端用于输出所述电信号，所述控制端与控制处理模块连接，用于控制第一端连接麦克风传感器或者音频接口；
连接于所述模拟选择开关的第二端的信号处理模块，用于对所述模拟选择开关输出的电信号进行处理和采样，得到数字信号，并将所述数字信号输出至控制处理模块。
3.如权利要求2所述的示波器，其特征在于，所述信号处理模块包括：
连接于控制处理模块的偏置电路，用于接收所述控制处理模块输出的偏置控制信号，输出与所述偏置控制信号对应的偏置信号；
连接于偏置电路和模拟选择开关的第二端的加法器，用于接收所述偏置信号和电信号，对偏置信号和电信号进行相加处理后输出；
连接于加法器的可调增益放大器，用于接收所述控制处理模块输出的增益控制信号，并确定与所述增益控制信号对应的增益，根据所述增益对加法器输出的电信号的增益进行调整；
连接于可调增益放大器的第二模数转换器，用于对可调增益放大器输出的电信号进行采样，得到采样后的数字信号，并输出所述数字信号至控制处理模块。
4.如权利要求3所述的示波器，其特征在于，所述第一信号通道包括：
信号采集前端，用于采集输入的信号数据；
第一模数转换器，用于对采集的信号数据进行采样，并将采样后的信号数据输出至控制处理模块。
5.如权利要求4所述的示波器，其特征在于，所述第二模数转换器的采样率小于第一模数转换器的采样率；第二模数转换器的采样精度大于第一模数转换器的采样精度。
6.如权利要求3所述的示波器，其特征在于，所述控制处理模块还用于：
接收用户输入的传声器灵敏度校准指令，所述传声器包括麦克风传感器或者外部传声器；
控制传声器接收标准声音信号；
对可调增益放大器的增益进行调节，判断是否能够找到至少一个增益能够使得第二模数转换器输出预设范围内的数字信号；
若能够找到至少一个增益，获取所述标准声音信号对应的电信号对应的电学参数；
根据所述标准声音信号的声学参数和所述电信号对应的电学参数，确定所述传声器的灵敏度，并保存所述传声器的灵敏度。
7.如权利要求6所述的示波器，其特征在于，所述标准声音信号由声级校准器输出。
8.如权利要求6所述的示波器，其特征在于，所述标准声音信号的声学参数为所述标准声音信号的声压值；所述电信号对应的电学参数为所述电信号的电压峰-峰值。
9.如权利要求8所述的示波器，其特征在于，所述根据所述标准声音信号的声学参数和所述电信号对应的电学参数，确定所述传声器的灵敏度，包括：
根据以下公式得到所述传声器的灵敏度：
a=y/x
其中，a为传声器的灵敏度，x为标准声音信号的声压值，y为标准声音信号对应的电信号的电压峰-峰值。
10.如权利要求6所述的示波器，其特征在于，还包括：
显示器，用于显示所述传声器的灵敏度。
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