音频信号分析仪设计.docx

ULLGB音须信号分析仪设计学院：电子信息学院专业：电子信息工程姓名:学号:指导老师：摘要本音频信号分析仪由STM32为主控制器，通过AD转换，对音频信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过FFT快速傅氏变换运算，在时域和频域对音频信号各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，然后通过高分辨率的LCD对信号的频谱进行显示。该系统能够精确测量的音频信号频率范围为20HZ-IOKHz,其幅度范围为50mVpp-5Vpp,分辨力分为20HZ和I(X)HZ两档。测量功率精确度高达5%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析仪的解决方案。关键词：FFTSTM32音频信号分析AbstractTheaudiosignalanalyzerisbasedonaSTM32microprocessor,throughtheADconverterforaudiosignalsampling,thecontinuoussignaldiscrete,andthenthroughtheFFTfastFouriertransformcomputing,inthetimedomainandfrequencydomainofthevariousaudiofrequencysignalweightandpower,andotherindicatorsforanalysisandprocessing,andthenthroughthehigh-resolutionLCDdisplaysignalsinthespectrum.Thesystemcanaccuratelymeasuretheaudiosignalfrequencyrangeof20Hz-IOKHz,therangeof50mVpp-5Vp,resolutionof20Hzand100Hzcorrespondent.Powermeasurementaccuracyupto5%,andbeabletoaccuratelymeasuringtheperiodicsignalcycleistheidealaudiosignalanalyzersolution.Keywords:FFTSTM32audiosignalanalyzing一、系统设计方案与论证11.1 系统总体设计11.2 CPU的选择11.3 前端信号调理电路21.4 AD转换模块21.5 1.CD液晶显示模块2二、硬件设计22.1 阻抗匹配电路22.2 峰值检测电路32. 3电压抬高电路42.4可变增益放大电路42.5低通滤波电路6三、软件设计63. 1FFT程序73. 2功率谱测量方法83. 3周期性判断方法93. 4ADC采样程序93.5LCD显示程序10四、系统调试104.1 硬件调试104.2 软件调试134.3 总体调试14五、测试结果15六、总结16附录16参考文献20一、系统设计方案与论证1.l系统总体设计总体设计思路：信号经过电压跟随器后进入峰值检测然后经过两个电压比较器把输入信号分2段，然后分别进入不同的增益放大电路进行放大，经过电压抬升后进入ADC进行采样，然后利用STM32进行软件编程来进行FFT计算，判断是否为周期信号，求出输入信号的频率、功率、频谱等，然后在同步显示在液晶屏上。总体设计框图如下：1.2 CPU的选择本设计中MCU使用的CPU是STM32F103xx增强型系列。STM32系列微控制器是由ST意法半导体公司一ARMCortex-M3为内核开发生产的32位微控制器（单片机），专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计。工作频率为72MHz,内置高速存储器（最高可达512K字节的内存和64K字节的SRAM）,可以用于存储程序和节点在工作过程中采集到的数据。具有丰富的增强型I/O端口和连接到两条高性能外设总线（AdVanCedPeriPheralBus,APB）的外设。该系列单片机还内置了快速的中断控制器，使得中断间的延迟时间大大降低。因此系统设计中选用STM32F103微处理器拥有如下如下优点：7组16位GPK）口、5组USART串口、多个外部中断口；外设包含多个定时器、SPl通信口、FSMC液晶控制口、12位ADC转换口；最大功耗118mW,待机功耗7uW,属于高性能低功耗微处理器。1.3 前端信号调理电路由于设计指标要求输入阻抗为50欧姆，所以在前端电路信号输入处加了一个跟随电路，利用一个50欧姆的电阻与一运放的输入端并联，满足50欧姆输入阻抗的要求，在选择运放方面，可选择带宽增益积较高、输入失调电压较小比较适合音频信号的转换精度。ADC基本参数为12位分辨;输入范围0至3.6V。完全可以满足本次设计的需要。1.5LCD液晶显示模块采用3.2寸TFT模块ILI9320,具有8080时序16bit并行总线接口，分辨率320乘以240,显示面板16M色彩。具有很高的稳定性。二、硬件设计2.1阻抗匹配电路在NE5532的同相端，也即信号输入端并联一50欧姆的电阻，满足50欧姆的输入阻抗。如图所示当输入信除的。干始变小时，利用电容的电压不突变特性保持峰值且输出到后级电路，利用场效应管和三极管电路在一定时间内释放掉所保持的峰值，接着检测随后的峰值。Q7V316二二一圭上一一应图2-4峰值检测电路仿真结果图2-5电压抬高电路2.4可变增益放大电路放大电路同时设置了x5,x.5两个放大通道，分别对50mv到30OmV,30OmV到5V的峰峰值范围内的信号进行不同放大，这样将可测量信号的动态范围扩展到了50mV；控制器通过继电器来选择不同的放大通道。图2-65倍放大电路及仿真结果2.5低通漉波隹本滤波电I图2-8低通滤波电路图2-8低通滤波电路仿真结果图3-1程序流程图3.1 FFT程序采用FFT实现采集的音频信号频域分析，得到音频信号中各频率分量的大小。FFT运算主要分为位倒置和蝶形运算两个功能部分。其中位倒置程序流程如图3-2«蝶形运算设计：由Xl(k)sX2(k)表示X(k)的运算是一种特殊的运算-碟形运算CX(Q=XP)+心工(女)IX(k)=XSk)-WX2(k)实现上式运算的流图称作蝶形运算(N/2个蝶形)。由上式可以看出蝶形运算主要是系数Wj的确定。而第L级的系数因子为(L=l,23.,M)o图3-2位倒置程序流程图W2A,(J=O,1,2,2l1-1)即第L级的蝶形运算系数因子类型数为21个。设系统共有M级，可得即有N=2%Z=Jr*2AfY03.2 功率谱测量方法本设计采用直接的经典功率谱估计法:它是把抽样序列X（三）的N个观测数据视为一能量有限的序列，直接计算x5)的离散傅立叶变换，得X(Z),然后再取其幅值的平方，并除以N,作为序列x5)真实功率谱的估计。有限长序列的傅立叶变换定义为：!J"正变换：X(Z)=ZM>)eN,Z=O,1,.V-1(1)n=01AM匹位反变换：x(n)-YX(k)eN,2=0,1,N-I(2)NM根据Parseval定理：一个序列在时域计算的能量与在频域计算的能量是相等的。N-1,-l即：SS)2=LfIX(Q|2,可得到各个频谱对应的功率与在时域测量功率之间的/1=0Nk=Q关系。1 TJTv2()=Rf2(t)dt=-uisinlt+u2sin2t+unsinntdtTFT-25,=÷÷.2V2(Z)=M1,+«2+,wn式中，Wr)为信号的有效值，,2,为各频点的幅值。3.3 周期性判断方法信号周期性的判断可利用周期信号所具有的自相关特征。假设采样所得的时间序列Mj)=MiE),i=L2N淇中7；为采样周期，利用一长为的滑窗来计算该采样序列的结构函数/()，即式中，l""ma,M=N-n,一般取%axN5,以保证上式中即使在=max时，也有较多的数据差值求平均。F()可以用来表征时间间隔为7；的两个时间点处信号的相似性。假设时间序列是周期性的，其周期=%0当=%或%的整数倍时，F(n)=0；即使信号被噪声污染，尸WO,但在一定的信噪比范围内，在=%处，Fs)仍然会取得最小值，从而也可识别信号的周期性并测量其周期。3.4 ADC采样程序本系统设计实现20Hz档和I(X)HZ档的精度。当选用20Hz档时，利用定时器2设置ADC采样时钟为40.96K,采样2048点；当选用IoOHZ档时，设计采样时钟为51.2K,采样512点。定时器计预分频因子计算，可设置定时周期为5,则20HZ档时count=72M640,96K=293,50HZ档时，count=72M651.2K=233<,1.CD显示程序1.CD的软件设计由LCD的初始化程序、数值的显示程序组成，为了实时更新数据，此部分软件采用了定时器中断,时间间隔为5s,即每隔5秒都会进行一次数据的读取，+匕Wr收斗&工端/古返回峰峰值530mV四、系统调4.1硬件调试如图4-1工配后的信号1.04V,IJ为 2. 16V 和变为IV,4.1.4 可 X 如图信号幅度如图4-5所可5V,频率 6KHz, 3各时信号幅度变为图4-6低通滤波电路调试4.2 软件调试软件的调试主要是在KeiI上进行，初步编译完成后，生成相关的.hex文件，将hex烧入STM32开发板中,检查软件是否实现了自己想要的功能。检测程序功能效果,再经过编译修改，最终得到理想的程序代码。软件调试建立在硬件调试成功的基础之上。4.3 总体调试将前级硬件电路与STM32开发板连接起来，再将LCD显示屏与开发板相接。接上电源，输入信号。启动程序，观察LCD显示结果。图4-7整体实物图图4-8LCD显示结果五、测试结果本次此时的输入信号由信号发生器产生。将测得值与理论值比较。当输入波形为正弦波时，结果如表5-1所示。表5-1正弦波测试结果输入信号幅值(mV)50100200500800功率(uW)理论值6.25252256251600实际值6.1225.62286271586误差2%2.4%1.3%3.1%0.8%输入信号I昌值(V)12345功率(mW)理论值2.51022.54062.5实际值2.5210.323.140.563.2误差0.8%3%2.6%1.3%1.1%从多次测量结果可以看出本系统可以实现对信号功率的准确测量，功率误差均小于4%O当输入波形是方波时，结果如表52所示。表5-2方波测试结果信号幅值IV2V3V4V5V一次谐波功率(mW)理论值4.0516.2136.4764.84101.32实际值4.1316.2636.5365.23103.47误差2%0.3%1.5%0.6%2%二次谐波功率(mW)理论值0.451.804.057.2011.26实际值0.461.844.217.3211.54误差2%2%3%1.7%2.5%总功率(mW)理论值5204580125实际值5.220.745.881.3126.4误差4%3.5%1.8%1.6%1.1%本系统对方波的测量同样很准确，总功率误差小于5%0六、总结我们所制作的音频信号分析仪完成了题目的要求，系统整体性能良好。实现对频率范围在20Hz至IOKHz音频信号频率成分的分析。通过多通道放大电路将系统可测电压(峰-峰值)的动态范围扩展到50mV至5V；通过改变AD转换器的采样频率，实现频率分辨力100Hz、20Hz两挡可调；频谱分析结果可使用液晶屏实时显示；通过对频谱数据特征的提取判断信号的周期性。附录部分程序源代码FFT程序#include<math.h>#definePI3.1415926535897932384626433832795028841971structcompxfloatreal,imag;);voidcreate_sin_tab(float*sin_t,intPointNum);voidFFT(structcompx*xin);voidMy_FFT(structcompx*s,intN);float*SIN_TAB;intFFT_N=2048;structcompxEE(slructcompxa,structcompxb)(structcompxc;c.real=a.real*b.real-a.imag*b.imag;c.imag=a.real*b.imag+a.imag*b.real;retum(c);1voidcreate_sin_tab(float*sin_t,intPointNum)(inti;SIN_TAB=sin_t;FFT_N=PointNum;for(i=0;i<=FFT_N/4;i+)SIN_TABi=sin(2*PI*i/FFT_N);1floatsin_tab(floatpi)(intn=0;floata=0;n=(int)(pi*FFT_N/2/PI);if(n>=0&&n<=FFT_N/4)a=SIN.TABn;elseif(n>FFT_N/4&&n<FFT_N/2)n-=FFT_N/4;a=S!N_TABlFFT_N/4-nJ;)elseif(n>=FFT_N/2&&n<3*FFT_N/4)(n-=FFT_N/2;a=-SIN.TABn;1elseif(n>=3*FFT_N/4&&n<3*FFT_N)(n=FFT_N-n;a=-SIN.TABn;)returna;floatcos_tab(floatpi)(floata,pi2;pi2=pi+PI2;if(pi2>2*PI)pi2-=2*PI;a=sin-(ab(pi2);returna;)voidFFT(structcompx*xin)(intf,m,i,k,l,j=0;registerintnv2,nm1;structcompxu,w,t;nv2=FFT_N/2;nml=FFT_N-l;for(i=0;i<nm1;i+)(if(i<j)(t=xinj;xinlj=xini;xinil=t;)k=nv2;while(k<=j)(j=j-k;k=k2;=WORD完整版.一可编辑-专业资料分享=j=j+k;(intle,lei,ip;f=FFT_N;for(l=l;(f=f72)!=l;l+);fbr(m=1;m<=l;m+)Ie=2<<(m-1);lei=le2;u.real=l.0;u.imag=0.0;w.real=cos_tab(PI/lei);w.imag="sin_tab(PI/lei);for(j=Oy<=lei-l;j+)for(i=j;i<=FFT_N-l;i=i+Ie)ip=i+lei;t=EE(xinip,u);xinip.real=xini.real-t.real;xinip.imag=xini.imag-t.imag;xini.real=xini.real+t.real;xini.imag=xini.imag+t.imag;)u=EE(u,w);)I)voidMy_FFT(StrUCtcompx*s,intN)(inti;FFT(s);fbr(i=O；i<N;i+)si.real=sqrt(si.real*si.real+si.imag*si.imag)/(i=0?N:N/2);参考文献：1 .陈志旺等、STM32嵌入式微控制器快速上手、2012年1月、第一版、电子工业出版社2 .康华光等、模拟电子技术基础、2006年1月、第一版、高等教育出版社3 .闫石、数字电子技术基础、2006年5月、第一版、高等教育出版社4 .陈莹、单片机原理与接口技术、2012年8月、第一版、机械工业出版社5 .范书瑞等、Cortex-M3嵌入式处理器原理及应用M、2011年1月、第一版、电子工业出版社