CN211826236U - 一种音频中电网频率采集电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种音频中电网频率采集电路，包括微控制器、显示单元、ADC单元、抗混叠波电路、信号调理电路、前置放大电路和咪头，显示单元和ADC单元分别与微控制器相连，咪头、前置放大电路、信号调理电路、抗混叠波电路和ADC单元依次相连。本实用新型的音频中电网频率采集电路结构简单，通过对采集的音频信号进行放大、直流偏执、滤波后，可降低外界电力线磁场的干扰，提升电网频率测量的准确度。

Description

一种音频中电网频率采集电路

技术领域

本实用新型属于电网频率测量领域，涉及一种音频中电网频率采集电路。

背景技术

我国的标称电网频率为50HZ，由于电力系统的复杂性、电力线系统负荷产生的不匹配等因素，会导致电网频率偏离标称值，而不同地区、不同时间的电网频率都是随机变化的。

在电力线四处分布的空间里录音，来自交流电力线的交互磁场会导致录音中产生令人讨厌的嗡嗡声，这是从这些电力线上耦合得到的。由于整个地区都是由统一的同步交流电网来供电，因此，根据给定的日期和时间可确定当时的电网频率波动特性，换句话说，根据录音信号检测出的电网频率可与电网频率数据库中的(当地的电网频率)信息进行比较，以确定该录音的时间及地点，证实音频的真实性。

音频中电网频率在音频中所占成分小，很难测量。此外，由于电力线、磁场等因素的客观存在，现有的采集设备易于受到信号干扰，导致电网频率测量准确度不高。

发明内容

本实用新型提出一种准确度更高的音频中电网频率采集电路。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种音频中电网频率采集电路，包括微控制器、显示单元、ADC单元、抗混叠波电路、信号调理电路、前置放大电路和咪头，所述显示单元、所述抗混叠波电路和所述ADC单元分别与所述微控制器相连，所述咪头、所述前置放大电路、所述信号调理电路、所述抗混叠波电路和所述ADC单元依次相连。

进一步地，所述咪头选用型号为PJ-3F07的驻极体麦克风J1，所述前置放大电路包括二孔插针J2、放大器U1、电感b1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第八电容C8、第一电阻R1和第二电阻R2，放大器U1的型号为AD620；

二孔插针J2的引脚1分别与驻极体麦克风J1的引脚3和引脚4相连，二孔插针J2的引脚2分别与驻极体麦克风J1的引脚1和第八电容C8的一端相连，第八电容C8的另一端接地；驻极体麦克风J1的引脚5与电感b1一端相连，第一电阻R1、第三电容C3、第四电容 C4和第五电容C5各自的一端分别与电感b1另一端相连；第四电容C4和第五电容C5各自的另一端接地，第三电容C3的另一端与放大器U1的引脚2相连；第一电阻R1的另一端连接3.3V电源，第一电容C1和第二电容C2各自的一端连接3.3V电源，第一电容C1和第二电容C2各自的另一端接地；第二电阻R2的两端分别与放大器U1的引脚1和引脚8相连；放大器U1的放大增益G＝200，放大器U1的引脚6与所述信号调理电路相连。

进一步地，所述信号调理电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第九电阻R9、第十电阻 R10、第十一电容C11和第一运放器U2A；

所述抗混叠波电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第六电容C6、第十电容C10和第二运放器U2B；

第三电阻R3一端与放大器U1的引脚6相连，第三电阻R3另一端分别与第四电阻R4和第一运放器U2A的引脚2相连，第四电阻R4另一端与第一运放器U2A的引脚1相连，第十电阻R10一端连接5V电源，第十电阻R10另一端分别与第九电阻R9、第十一电容C11 和第一运放器U2A的引脚3相连，第九电阻R9和第十一电容C11各自的另一端接地；

第七电阻R7一端连接第一运放器U2A的引脚1，第七电阻R7另一端分别与第六电容C6和第八电阻R8相连，第六电容C6的另一端分别与第二运放器U2B的引脚6和引脚7相连，第八电阻R8的另一端分别与第十电容C10和第二运放器U2B的引脚5相连，第十电容 C10的另一端接地；第六电阻R6一端与第二运放器U2B的引脚7相连，第六电阻R6的另一端与所述微控制器相连。

进一步地，上述音频中电网频率采集电路还包括窄带滤波器，所述窄带滤波器与所述微控制器相连。

进一步地，上述音频中电网频率采集电路还包括存储单元，所述存储单元与所述微控制器相连；所述存储单元为FLASH和MircoSD卡，其中，FLASH的型号为M25P16。

进一步地，上述音频中电网频率采集电路还包括PC上位机，所述PC上位机与所述微控制器串口通信。

进一步地，上述音频中电网频率采集电路还包括扬声器、功率放大电路、重构滤波电路和DAC重构电路，所述扬声器、所述功率放大电路、所述重构滤波电路和所述DAC重构电路依次相连，所述DAC重构电路与所述微控制器相连。

进一步地，所述功率放大电路采用型号为MAX9705的音频放大器。

进一步地，所述微控制器的型号为STM32F107微控制器。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的音频中电网频率采集电路结构简单，通过对采集的音频信号进行放大、直流偏执、滤波后，可降低外界电力线磁场的干扰，提升电网频率测量的准确度。

附图说明

图1为本实用新型的音频中电网频率采集电路的结构示意图；

图2为本实用新型中，前置放大电路的结构示意图；

图3为本实用新型中，信号调理电路和抗混叠波电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型的音频中电网频率采集电路作进一步地详细说明。

如图1所示的音频中电网频率采集电路，包括微控制器、显示单元、存储单元、PC上位机、窄带滤波器、ADC单元、抗混叠波电路、信号调理电路、前置放大电路、咪头、扬声器、功率放大电路、重构滤波电路和DAC重构电路，扬声器、功率放大电路、重构滤波电路和 DAC重构电路依次相连，咪头、前置放大电路、信号调理电路、抗混叠波电路和ADC单元依次相连，显示单元、存储单元、窄带滤波器、DAC重构电路、抗混叠波电路和ADC单元分别与微控制器相连，PC上位机与微控制器串口通信。

具体地，如图2所示，咪头选用型号为PJ-3F07的驻极体麦克风J1，供电电压为3.3V，频响范围为20HZ～20KHZ。前置放大电路包括二孔插针J2、放大器U1、电感b1、第一电容 C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第八电容C8、第一电阻R1 和第二电阻R2，放大器U1的型号为AD620。

二孔插针J2的引脚1分别与驻极体麦克风J1的引脚3和引脚4相连，二孔插针J2的引脚2分别与驻极体麦克风J1的引脚1和第八电容C8的一端相连，第八电容C8的另一端接地。驻极体麦克风J1的引脚5与电感b1一端相连，第一电阻R1、第三电容C3、第四电容 C4和第五电容C5各自的一端分别与电感b1另一端相连。第四电容C4和第五电容C5各自的另一端接地，第三电容C3的另一端与放大器U1的引脚2相连。第一电阻R1的另一端连接3.3V电源，第一电容C1和第二电容C2各自的一端连接3.3V电源，第一电容C1和第二电容C2各自的另一端接地。第二电阻R2的两端分别与放大器U1的引脚1和引脚8相连，放大器U1的放大增益G＝200，且G＝1+49.4/R2，放大器U1的引脚6与信号调理电路相连，放大器U1的引脚4和引脚7连接5V电源，放大器U1的引脚3和引脚5接地。

如图3所示，信号调理电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电容C11和第一运放器U2A。抗混叠波电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第六电容C6、第十电容C10和第二运放器U2B。

第三电阻R3一端与放大器U1的引脚6相连，第三电阻R3另一端分别与第四电阻R4和第一运放器U2A的引脚2相连，第四电阻R4另一端与第一运放器U2A的引脚1相连，第十电阻R10一端连接5V电源，第十电阻R10另一端分别与第九电阻R9、第十一电容C11 和第一运放器U2A的引脚3相连，第九电阻R9和第十一电容C11各自的另一端接地。

第七电阻R7一端连接第一运放器U2A的引脚1，第七电阻R7另一端分别与第六电容C6和第八电阻R8相连，第六电容C6的另一端分别与第二运放器U2B的引脚6和引脚7相连，第八电阻R8的另一端分别与第十电容C10和第二运放器U2B的引脚5相连，第十电容 C10的另一端接地。第六电阻R6一端与第二运放器U2B的引脚7相连，第六电阻R6的另一端与微控制器相连。第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电容C11加在同相端给第一运放器U2A提供直流偏置，使其可以用单电源工作。令第三电阻R3等于第四电阻R4，使得第七电阻R7左侧信号调理电路的输入、输出电压表达式为Vo＝Vi-2*5*R10/(R9+R10)，Vo为电路的输出电压，Vi为电路的输入电压，电压单位为V(伏)。从而，可以根据实际的前级的输入电压，加上直流偏置。

本实施例中，微控制器的型号为STM32F107微控制器。存储单元为一片SPI通信的FLASH和一款SPI通信的MircoSD卡，其中，FLASH的型号为M25P16。功率放大电路采用型号为MAX9705的音频放大器。

本实用新型的音频中电网频率采集电路的原理为：

咪头耦合到含有ENF(音频中电网频率)信息的音频信号，咪头输出的信号振幅是非常小的，这将对ADC采集带来很大的负担。因而，本实用新型通过前置放大电路对咪头输出的信号进行两级放大，通过信号调理电路对放大的信号加直流偏执，再经抗混叠波电路，滤除高频分量送到ADC单元。ADC单元转换音频信号电压，并将转换后的音频信号传输至STM32F107微控制器，音频信号经窄带滤波器滤波后，由STM32F107微控制器通过测频算法计算出电网频率。电网频率通过串口或者网口传输至PC上位机，便于与电网频率数据库中信息进行比较。

DAC重构电路对ADC单元转换的音频信号进行DAC重构，重构出的信号实际上是锯齿状的，高频谐波分量比较丰富，故必须经过DAC重构滤波，去掉ADC单元输出波形所带有的丰富的谐波分量，最后再功率放大输出至扬声器。

存储单元用于存储录音数据和ENF提取信息，显示单元用于显示包括频谱和计算出的电网频率结果。

需要指出，本实用新型中所采用的测频算法为现有技术，本实用新型中未作详细描述的内容亦为现有技术。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种音频中电网频率采集电路，其特征在于，包括微控制器、显示单元、ADC单元、抗混叠波电路、信号调理电路、前置放大电路和咪头，所述显示单元、所述抗混叠波电路和所述ADC单元分别与所述微控制器相连，所述咪头、所述前置放大电路、所述信号调理电路、所述抗混叠波电路和所述ADC单元依次相连。

2.根据权利要求1所述的音频中电网频率采集电路，其特征在于，所述咪头选用型号为PJ-3F07的驻极体麦克风J1，所述前置放大电路包括二孔插针J2、放大器U1、电感b1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第八电容C8、第一电阻R1和第二电阻R2，放大器U1的型号为AD620；

二孔插针J2的引脚1分别与驻极体麦克风J1的引脚3和引脚4相连，二孔插针J2的引脚2分别与驻极体麦克风J1的引脚1和第八电容C8的一端相连，第八电容C8的另一端接地；驻极体麦克风J1的引脚5与电感b1一端相连，第一电阻R1、第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5各自的一端分别与电感b1另一端相连；第四电容C4和第五电容C5各自的另一端接地，第三电容C3的另一端与放大器U1的引脚2相连；第一电阻R1的另一端连接3.3V电源，第一电容C1和第二电容C2各自的一端连接3.3V电源，第一电容C1和第二电容C2各自的另一端接地；第二电阻R2的两端分别与放大器U1的引脚1和引脚8相连；放大器U1的放大增益G＝200，放大器U1的引脚6与所述信号调理电路相连。

3.根据权利要求2所述的音频中电网频率采集电路，其特征在于，所述信号调理电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电容C11和第一运放器U2A；

所述抗混叠波电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第六电容C6、第十电容C10和第二运放器U2B；

第三电阻R3一端与放大器U1的引脚6相连，第三电阻R3另一端分别与第四电阻R4和第一运放器U2A的引脚2相连，第四电阻R4另一端与第一运放器U2A的引脚1相连，第十电阻R10一端连接5V电源，第十电阻R10另一端分别与第九电阻R9、第十一电容C11和第一运放器U2A的引脚3相连，第九电阻R9和第十一电容C11各自的另一端接地；

第七电阻R7一端连接第一运放器U2A的引脚1，第七电阻R7另一端分别与第六电容C6和第八电阻R8相连，第六电容C6的另一端分别与第二运放器U2B的引脚6和引脚7相连，第八电阻R8的另一端分别与第十电容C10和第二运放器U2B的引脚5相连，第十电容C10的另一端接地；第六电阻R6一端与第二运放器U2B的引脚7相连，第六电阻R6的另一端与所述微控制器相连。

4.根据权利要求1所述的音频中电网频率采集电路，其特征在于，还包括窄带滤波器，所述窄带滤波器与所述微控制器相连。

5.根据权利要求4所述的音频中电网频率采集电路，其特征在于，还包括存储单元，所述存储单元与所述微控制器相连；所述存储单元为FLASH和MircoSD卡，其中，FLASH的型号为M25P16。

6.根据权利要求4所述的音频中电网频率采集电路，其特征在于，还包括PC上位机，所述PC上位机与所述微控制器串口通信。

7.根据权利要求1所述的音频中电网频率采集电路，其特征在于，还包括扬声器、功率放大电路、重构滤波电路和DAC重构电路，所述扬声器、所述功率放大电路、所述重构滤波电路和所述DAC重构电路依次相连，所述DAC重构电路与所述微控制器相连。

8.根据权利要求7所述的音频中电网频率采集电路，其特征在于，所述功率放大电路采用型号为MAX9705的音频放大器。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的音频中电网频率采集电路，其特征在于，所述微控制器的型号为STM32F107微控制器。

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