音频信号分析仪

1/22音频信号分析仪指导老师：邓晶年纪专业：11信息工程成员：刘丽梅（1128401039）东飞（1128401014）罗兰（1128401128）日期：2014年6月2/21摘要：本音频信号分析仪基于快速傅里叶变换的原理，以32位CPUSTM32构成的最小系统为控制核心，由电压跟随、程控放大、峰值检测、抗混叠滤波等模块组成。本音频信号分析仪由STM32控制，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运算，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50Hz-10KHz，其幅度范围为5mVpp-5Vpp，分辨力为50Hz。关键词：FFT嵌入式系统前级信号处理功率谱Abstract:ThisaudiosignalanalyzerbasedontheprincipleoffastFouriertransform,theminimumsystemconsistingofSTM32embeddedsystemascontrolcore,followedbythevoltage,program-controlledamplifier,peakdetection,suchasantialiasingfiltermodules.Thisaudiosignalanalyzercontrolledbyanembeddedsystem,throughtheADconversion,theaudiosignalsampling,thecontinuoussignaldiscretization,thenthroughFFTarithmetic,eachfrequencycomponentandthepowerindexintheaudiosignalanalysisandprocessing,andthenthroughhighresolutiondisplayLCDfrequencyspectrumofthesignalandthecharacteristicsof.Thesystemcanaccuratelymeasuretheaudiosignalfrequencyrangeof50-10KHZ,itsamplituderangeis5mVpp-5Vpp,resolutionof50Hz.3/22目录摘要......................................................................2目录......................................................................3引言......................................................................41系统方案比较与选择......................................................81.1主控芯片的选择....................................................31．2采样方法比较与选择..............................................41．3信号功率的计算...................................................41.4系统总体方案......................................................42硬件设计.............................................................52．1程控放大电路设计................................................52．2峰值检测电路设计................................................62．3总硬件电路.....................................................73软件调试...............................................................94．1软件总体流程图设计................................................94．2程控放大程序设计.................................................104．3FFT程序.........................................................114.4功率计算.........................................................114.5周期计算.........................................................124系统调试............................................................125．1总硬件焊接图...................................................125．2电压跟随电路......................................................75.3程控放大电路........................................................85.4峰值检测电路.......................................................85.5电压抬升电路......................................................185．6液晶屏显示图...................................................135．7测试结果........................................................145总结..................................................................15参考文献.................................................................15附录1：元器件明细表和仪器设备清单.......................................15附录2：FFT程序..........................................................15附录3：周期计算程序.....................................................17附录4：主程序...........................................................184/22引言早期专业的音频分析仪种类很少，在做音频测量时一般是利用万用电表、频率计、示波器及频谱仪等组合成一套音频测试系统。这种测试系统中间环节多，各环节之间接口匹配较为困难，使用起来比较麻烦，测量结果往往也不精确。近年来出现的音频分析仪器也与仪器的主流发展趋势一致，朝着高度集成化、智能化的方向发展，这些仪器集成了复杂音频信号发生装置、功率放大装置等，具备了一些初步的图形化分析功能，使用户很容易组建音频测量系统。美国AudioPrecision公司是一家全球最大的音频测试仪器制造商；创立于1984年，其音频测试仪器SystemTwo/AP2700系列是目前音频测试业界的标准测试仪器，为Dobly,DTS，等多家研究机构采用，是miscrosoftDTM认证的指定仪器。RS公司的“精灵系列”音频分析仪UP300&UP350也是这类仪器的典型代表，可测量双向信道串扰，可产生双音信号，用于调制失真分析和差频失真测量，且测量范围宽，精度较，UP350还可分析数字音频信号，采样率高达192KHz，可用于数字音频设备测量和模拟/数字混合接口的相关应用。音频信号分析仪利用频谱分析原理来分析被测信号的频率、频谱及波形。常用的频谱分析方法有：扫频法、数字滤波法、FFT法。这里提出一种基于FFT方法的音频信号分析仪设计方案，通过快速傅里叶变换（FFT）把被测的音频信号由时域信号转换为频域信号，将其分解成分立的频率分量，在此基础上对其进行各种分析，达到与传统频谱分析仪同样效果。该系统设计可应用于音频制作、信号分析等领域，具有一定的科学价值和实用价值。1系统方案比较与选择1.1主控芯片的选择本系统采用基于32位的ARMCortex-M3处理器STM32F103VBT6作为主控芯片，它具有非常丰富的片内资源，例如实时时钟(RTC)、定时器(TIM)、通用I／O接口(GPIO)、DMA控制器、A／D转换器、USART接口、I2C接口、SPI接口和CAN总线接口还包括20kB的片内SRAM，128KB的片内FLASH以及一个支持USB2．O规范的全速USB外围设备等，它是整个系统的主控单元，协调其它模块完成数据采集、存储、处理、控制、传输等多项功能。它的引脚图如图1-1所示：5/22图1-1STM32F103VB引脚图1.2采样方法比较与选择方案一：采用12位AD转换器ADS7819进行转换，将转换的数据送32位控制器进行处理。方案二：利用STM32对数据进行采集，然后利用STM32自带的12位AD转换器进行转换后送入内部，然后由STM32对数据进行处理。方案一能采集电压值为负的信号，方案二易于控制采样频率，硬件简单，综合考虑以及使硬件简单化，所以我们选择了方案二。1.3信号功率的计算方案一：通过测真有效值的方式实现，应用普通的真有效值检测芯片可以方便的测出信号在一定时间段内的总功率。但对单个频点处的功率测量无能为力。方案二：在用FFT得到信号的频谱后根据帕斯瓦尔定律可以很方便的得到信号各频率分量的功率及信号的总功率。因为本设计中我们可以通过FFT得到信号的频谱，因此方案二最适合本设计。1.4系统总体方案根据以上的方案论证与比较，先将输入信号通过电压跟随电路，一路送给峰值检测电路，然后一路送给程控放大模块，调理到ADC适合采样的输入范围内，经过抗混叠滤波后进行电压抬升，送人STM32内部的AD进行采样。根据频率分辨力来确定采样率，利用STM32快速数据处理能力，在其中完成1024点的FFT运算计算该信号的功率谱，并能实时显示信号总功率及主要频率成分功率。其中，对于信号周期性的判断与测量，我们采用自相关的方法，大大提高了判断的准确性。最后系统总体实现方案如图1-3所示：6/22图1-4系统总体方案2、硬件设计2.1程控放大电路程控放大电路电路图如图2-1-1所示。该电路主要由2个DAC0832和1个OP07组成。令R2=R1，输出与输入的关系是Vo/Vi=-D1/D2.理论上它可以实现使信号最大放大255倍和最大缩小255倍。图2-1-2，2-1-3，2-1-4为它的仿真结果（上面的信号为输入信号，下面的信号为输出信号），分别为放大21倍，放大1倍和缩小0.6倍。图2-1-1程控放大电路电路图图2-1-220倍放大仿真图信号输入电压跟随峰值检测程控放大抗混叠滤波电压抬升内部ADCLCD显示键盘STM327/22图2-1-3倍放大仿真图图2-1-40.6倍放大仿真图2.2峰值检测电路峰值检测电路图如图2-2-1所示。它的工作原理如下：初始状态电容电