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音频信号分析仪----完整设计资料
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2010-12-03
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给出详细的音频信号分析仪的设计过程,包括硬件设计和详细的源程序。是很好的参考资料。WORD!
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题目名称:音频信号分析仪(A 题)
摘要: 本音频信号分析仪由 32 位 MCU 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-10KHz,其幅度范围为 5mVpp-
5Vpp,分辨力分为 20Hz 和 100Hz 两档。测量功率精确度高达 1%,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: FFT MCU 频谱 功率
Abstract: The audio signal analyzer is based on a 32-bit MCU controller, through the AD
converter for audio signal sampling, the continuous signal discrete, and then through the FFT fast
Fourier transform computing, in the time domain and frequency domain of the various audio
frequency signal weight and power, and other indicators for analysis and processing, and then
through the high-resolution LCD display signals in the spectrum. The system can accurately
measure the audio signal frequency range of 20 Hz-10KHz, the range of 5-5Vpp mVpp, resolution
of 20 Hz and 100 Hz correspondent. Power measurement accuracy up to 1%, and be able to
accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution.
Keyword: FFT MCU Spectrum Power
1 方案论证与比较.....................................................................................................................................3
1.1 采样方法比较与选择.....................................................................................................................3
1.2 处理器的比较与选择.....................................................................................................................3
1.3 周期性判别与测量方法比较与选择.............................................................................................3
2 系统设计.................................................................................................................................................4
2.1 总体设计.........................................................................................................................................4
2.2 单元电路设计.................................................................................................................................5
2.2.1
前级阻抗匹配和放大电路设计
..............................................................................................5
2.2.2 AD
转换及控制模块电路设计
................................................................................................6
2.2.3
功率谱测量
..............................................................................................................................6
3 软件设计.................................................................................................................................................7
4 系统测试.................................................................................................................................................8
4.1 总功率测量(室温条件下).........................................................................................................8
4.2 单个频率分量测量(室温条件下).............................................................................................8
5 结论.........................................................................................................................................................9
参考文献:................................................................................................................................................9
附录:......................................................................................................................................................10
附 1:元器件明细表:.......................................................................................................................10
附 2:仪器设备清单...........................................................................................................................10
附 3:电路图图纸...............................................................................................................................11
附 4:程序清单...................................................................................................................................12
1 方案论证与比较
1.1 采样方法比较与选择
方案一、用 DDS 芯片配合 FIFO 对信号进行采集,通过 DDS 集成芯片产生一个频率稳定
度和精度相当高的信号作为 FIFO 的时钟,然后由 FIFO 对 A/D 转换的结果进行采集和存储,
最后送 MCU 处理。
方案二、直接由 32 位 MCU 的定时中断进行信号的采集,然后对信号分析。
由于 32 位 MCU -LPC2148 是 60M 的单指令周期处理器,所以其定时精确度为 16.7ns,已
经远远可以实现我们的 40.96KHz 的采样率,而且控制方便成本便宜,所以我们选择由
MCU 直接采样。
1.2 处理器的比较与选择
由于快速傅立叶变换 FFT 算法设计大量的浮点运算,由于一个浮点占用四个字节,所
以要占用大量的内存,同时浮点运算时间很慢,所以采用普通的 8 位 MCU 一般难以在一
定的时间内完成运算,所以综合内存的大小以及运算速度,我们采用 Philips 的 32 位的单
片机 LPC2148,它拥有 32K 的 RAM,并且时钟频率高达 60M,所以对于浮点运算不论
是在速度上还是在内存上都能够很快的处理。
1.3 周期性判别与测量方法比较与选择
对于普通的音频信号,频率分量一般较多,它不具有周期性。测量周期可以在时域测量
也可以在频域测量,但是由于频域测量周期性要求某些频率点具有由规律的零点或接近零
点出现,所以对于较为复杂的,频率分量较多且功率分布较均匀且低信号就无法正确的分
析其周期性。
而在时域分析信号,我们可以先对信号进行处理,然后假定具有周期性,然后测出频
率,把采样的信号进行周期均值法和定点分析法的分析后即可以判别出其周期性。
综上,我们选择信号在时域进行周期性分析和周期性测量。对于一般的音频信号,其时
域变化是不规则的,所以没有周期性。而对于单频信号或者由多个具有最小公倍数的频率
组合的多频信号具有周期性。这样我们可以在频域对信号的频谱进行定量分析,从而得出
其周期性。而我们通过先假设信号是周期的,然后算出频率值,然后在用此频率对信号进
行采样,采取连续两个周期的信号,对其值进行逐次比较和平均比较,若相差太远,则认
为不是周期信号,若相差不远(约 5%),则可以认为是周期信号。
2 系统设计
2.1 总体设计
音频信号经过一个由运放和电阻组成的 50 Ohm 阻抗匹配网络后,经由量程控制模块
进行处理,若是一般的 100mV-5V 的电压,我们选择直通,也就是说信号没有衰减或者放
大,但是若信号太小,12 位的 A/D 转换器在 2.5V 参考电压的条件下的最小分辨力为 1mV
左右,所以如果选择直通的话其离散化处理的误差将会很大,所以若是采集到信号后发现
其值太小,在 20mV-250mV 之间的话,我们可以将其认定为小信号,从而选择信号经过 20
倍增益的放大器后再进行 A/D 采样。
经过 12 位 A/D 转换器 ADS7819 转换后的数字信号经由 32 位 MCU 进行 FFT 变换和
处理,分析其频谱特性和各个频率点的功率值,然后将这些值送由 Atmega16 进行显示。
信号由 32 位 MCU 分析后判断其周期性,然后由 Atmegal6 进行测量,然后进行显示。
总体设计框架图
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nuozhi99039
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