基于PCM2906B的虛擬信號分析儀的設(shè)計

摘 要： 針對目前市場上出現(xiàn)的虛擬儀器價格過于昂貴，研發(fā)了一種高性價比的虛擬信號分析儀。采用16bit STEREO AUDIO CODEC PCM2906B為硬件基礎(chǔ)，結(jié)合C#軟件開發(fā)，整體結(jié)構(gòu)由通用PC機和虛擬儀器卡兩部分組成，二者通過USB接口進行信號通信。信號的采集和輸出由虛擬儀器卡完成，信號的處理由通用PC機通過軟件進行，PC軟件利用面向?qū)ο蟮腃#語言開發(fā)。該虛擬信號儀能在大幅降低成本的同時實現(xiàn)了信號發(fā)生器、示波器、記錄儀、頻譜分析、時頻分析等多種功能。該儀器具有多種功能，硬件功耗低，成本低廉，性價比高，可以在教學(xué)和實驗中得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： PCM2906B； 虛擬信號分析儀； C#； USB接口

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0095?03

0 引 言

隨著信息處理技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器逐漸成為現(xiàn)代儀器的發(fā)展方向。目前市場上出現(xiàn)的虛擬儀器價格過于昂貴，在實際中難以大規(guī)模應(yīng)用[1]。本文設(shè)計了一種高性能價格比的虛擬信號分析儀，其整體結(jié)構(gòu)由通用PC機和虛擬儀器卡兩部分組成，二者通過USB接口進行信號通信。

信號的采集和輸出由虛擬儀器卡完成，信號的處理由通用PC機通過軟件進行，PC軟件可以利用面向?qū)ο蟮腃#語言開發(fā)。該儀器具有信號發(fā)生器、示波器、記錄儀、頻譜分析儀、時頻分析儀等多種功能，硬件功耗低，成本低廉，性價比高，可以在教學(xué)和實驗中得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計及結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)由通用PC機和虛擬儀器卡兩部分組成，PC機中裝有分析信號和處理信號的軟件，虛擬儀器卡負(fù)責(zé)信號的采集和輸出，二者采用USB2.0全速通信接口。該虛擬儀器卡擁有兩個輸入通道和兩個輸出通道，通過USB接口接收從PC機上傳送來的配置信息和控制命令，同時利用USB總線供電。PC機上的軟件主要負(fù)責(zé)配置虛擬儀器卡，對虛擬儀器卡進行波形讀取分析和傳送波形數(shù)據(jù)，同時完成波形數(shù)據(jù)的顯示、存儲、頻譜分析、時頻分析等功能。

PC機軟件與虛擬儀器卡兩者相互配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成信號的采集和產(chǎn)生。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

虛擬儀器卡的硬件結(jié)構(gòu)是以PCM2906B為核心設(shè)計，工作時由PCM2906B的內(nèi)核從USB接口傳送的數(shù)據(jù)流中提取出音頻數(shù)據(jù)流和時鐘信號，然后將其變換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻串行數(shù)據(jù)，其中PCM2906B內(nèi)部采用 TI 采樣周期適應(yīng)性控制跟蹤系統(tǒng)（SpAct），利用 PLL電路分離單時鐘源，因此能將噪聲等抖動信號抑制到極低的水平，從而保證了良好的信號采集和產(chǎn)生的信號效果。虛擬儀器卡的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是指虛擬儀器卡的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。本系統(tǒng)使用TI公司的立體聲音頻編解碼器（CODEC）——PCM2906B作為主體核心芯片。由于PCM2906B自身具備的USB協(xié)議控制器不需要編寫任何軟件代碼便可以工作，而且其驅(qū)動程序可以利用Windows操作系統(tǒng)中的通用聲卡驅(qū)動程序，這樣就可減少大量的底層軟件設(shè)計工作，簡化了系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計。而且它的內(nèi)部集成了一個16?Bit Delta?Sigma ADC，能夠同時采集兩路輸入信號，每路輸入信號的最高頻率可達(dá)20 kHz，采樣頻率可達(dá)48 kHz；其內(nèi)部還集成了一個16?Bit Delta?Sigma DAC，可同時產(chǎn)生兩路任意波形信號，其采樣率同樣達(dá)到[2]48 kHz。可以利用TI公司的高速單電源軌至軌運算放大器OPA2353構(gòu)建每路輸入輸出通道的極性變換電路和低通濾波器。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，基于PCM2906B設(shè)計的虛擬信號分析儀硬件電路主要包括USB數(shù)據(jù)接口電路、輸入通道前端電路和輸出通道后端電路、增益調(diào)整電路等部分。

2.1 USB數(shù)據(jù)接口電路

PCM2906B的USB數(shù)據(jù)接收接口符合USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)，芯片上集成 USB接口全速收發(fā)器D+與VddI之間的1.5 kΩ上拉電阻使 PCM2906B的 USB接口工作在全速狀態(tài)[3]。

信號按如下過程產(chǎn)生：當(dāng)接口電路完成起始電平的恢復(fù)并與 USB總線接通后，這時PCM2906B的設(shè)置準(zhǔn)備工作完成，PCM2906B準(zhǔn)備接收 USB數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)信號尚未送來的等待狀態(tài)時，模擬輸出設(shè)置為雙零點零標(biāo)志， ZERO為高電平。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)信號后， PCM2906B將第一批數(shù)據(jù)包（含 1 ms 的音頻數(shù)據(jù)）存儲到其內(nèi)部FIFO存儲器中，當(dāng)接口電路檢測到頭幀信號后，PCM2906B開始產(chǎn)生信號。

2.2 輸入通道前端電路和輸出通道后端電路

從PCM2906B的特性可知，由于PCM2906B的輸入通道和輸出通道允許的電壓范圍為-0.3～VCCCI+0.3，所以需要將外界的雙極性模擬信號變?yōu)榉螾CM2906B特性的單極性的輸入信號，以及需要將PCM2906B單極性的輸出信號變?yōu)檎嬲捎玫碾p極性模擬信號輸出。同時由于外界環(huán)境存在的各種干擾，為了得到較為純凈的輸入和輸出信號，抑制各種干擾信號，在每路輸入和輸出通道上都設(shè)計了低通濾波器。

2.3 增益調(diào)整電路

PCM2906B提供三個人機接口設(shè)備 （HID） 引腳。HID是Human Interface Devices的縮寫，即人機接口設(shè)備，是USB 協(xié)議中最早提出并支持的一種設(shè)備類。典型的HID有鍵盤和鼠標(biāo)等，其主要用于和計算機進行交互通信。鼠標(biāo)也屬于HID設(shè)備，USB 串行總線規(guī)范專門定義了HID 類規(guī)范[4]。在本系統(tǒng)中將HID0設(shè)置成可以同時停止PCM2906B的兩路輸出，將HID1設(shè)置成可同時放大PCM2906B的兩路輸出的增益，將HID2設(shè)置成可同時減小PCM2906B的兩路輸出的增益。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于本系統(tǒng)能實現(xiàn)信號采集、信號產(chǎn)生、頻譜分析、時頻分析等功能，因此軟件部分設(shè)計主要包括實時顯示模塊、波形存儲模塊、后處理模塊、信號生成模塊、FFT模塊、功率譜分析模塊、時頻分析模塊、頻譜分析模塊及自相關(guān)分析模塊。PC軟件采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C#開發(fā)，軟件總體流程見圖3[5]。軟件具體模塊設(shè)計略。

4 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)測試時將虛擬儀器卡的兩路輸出分別與兩路輸入相連。虛擬儀器卡的一路輸出設(shè)置為波形頻率500 Hz的正弦信號，另一路輸出設(shè)置為波形頻率為1 000 Hz的正弦信號，同時在軟件窗口查看兩路輸入信號的采集波形。

采集到的波形如圖4所示。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)含量高、功能豐富且成本低廉，設(shè)計出的儀器性能價格比高，為各類實驗的開展提供了有力的技術(shù)設(shè)備支持，特別是在教學(xué)和實驗改革中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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