題目名稱：音頻信號(hào)分析儀（A題）

華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院  參賽隊(duì)員：陳旭 張洋 林士明

  摘要：  本音頻信號(hào)分析儀由32位MCU為主控制器，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號(hào)離散化，然后通過(guò)FFT快速傅氏變換運(yùn)算，在時(shí)域和頻域?qū)σ纛l信號(hào)各個(gè)頻率分量以及功率等指標(biāo)進(jìn)行分析和處理，然后通過(guò)高分辨率的LCD對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)能夠精確測(cè)量的音頻信號(hào)頻率范圍為20Hz-10KHz，其幅度范圍為5mVpp-5Vpp，分辨力分為20Hz和100Hz兩檔。測(cè)量功率精確度高達(dá)1%,并且能夠準(zhǔn)確的測(cè)量周期信號(hào)的周期，是理想的音頻信號(hào)分析儀的解決方案。

關(guān)鍵詞： FFT  MCU  頻譜 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  方案論證與比較.... 3

1.1  采樣方法方案論證... 3

1.2  處理器的選擇方案論證... 3

1.3  周期性判別與測(cè)量方法方案論證... 3

2  系統(tǒng)設(shè)計(jì).... 4

2.1  總體設(shè)計(jì)... 4

2.2  單元電路設(shè)計(jì)... 5

2.2.1  前級(jí)阻抗匹配和放大電路設(shè)計(jì)... 5

2.2.2  AD轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設(shè)計(jì)... 6

2.2.3  功率譜測(cè)量單元電路設(shè)計(jì)... 6

3  軟件設(shè)計(jì).... 7

4   系統(tǒng)測(cè)試.... 8

5  結(jié)論.... 9

參考文獻(xiàn)：.... 9

附錄：.... 9

附1：元器件明細(xì)表：... 9

附2：儀器設(shè)備清單... 9

附3：電路圖圖紙... 10

附4：程序清單... 11

1              方案論證與比較

1.1 采樣方法比較與選擇

    方案一、用DDS芯片配合FIFO對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)DDS集成芯片產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定度和精度相當(dāng)高的信號(hào)作為FIFO的時(shí)鐘，然后由FIFO對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，最后送MCU處理。

    方案二、直接由32位MCU的定時(shí)中斷進(jìn)行信號(hào)的采集，然后對(duì)信號(hào)分析。

    由于32位MCU -LPC2148是60M的單指令周期處理器，所以其定時(shí)精確度為16.7ns,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以實(shí)現(xiàn)我們的40.96KHz的采樣率，而且控制方便成本便宜，所以我們選擇由MCU直接采樣。

1.2 處理器的比較與選擇

 由于快速傅立葉變換FFT算法設(shè)計(jì)大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，由于一個(gè)浮點(diǎn)占用四個(gè)字節(jié)，所以要占用大量的內(nèi)存，同時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)間很慢，所以采用普通的8位MCU一般難以在一定的時(shí)間內(nèi)完成運(yùn)算，所以綜合內(nèi)存的大小以及運(yùn)算速度，我們采用Philips 的32位的單片機(jī)LPC2148，它擁有32K的RAM，并且時(shí)鐘頻率高達(dá)60M，所以對(duì)于浮點(diǎn)運(yùn)算不論是在速度上還是在內(nèi)存上都能夠很快的處理。

1.3 周期性判別與測(cè)量方法比較與選擇

    對(duì)于普通的音頻信號(hào)，頻率分量一般較多，它不具有周期性。測(cè)量周期可以在時(shí)域測(cè)量也可以在頻域測(cè)量，但是由于頻域測(cè)量周期性要求某些頻率點(diǎn)具有由規(guī)律的零點(diǎn)或接近零點(diǎn)出現(xiàn)，所以對(duì)于較為復(fù)雜的，頻率分量較多且功率分布較均勻且低信號(hào)就無(wú)法正確的分析其周期性。

 而在時(shí)域分析信號(hào)，我們可以先對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后假定具有周期性，然后測(cè)出頻率，把采樣的信號(hào)進(jìn)行周期均值法和定點(diǎn)分析法的分析后即可以判別出其周期性。

    綜上，我們選擇信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行周期性分析和周期性測(cè)量。對(duì)于一般的音頻信號(hào)，其時(shí)域變化是不規(guī)則的，所以沒(méi)有周期性。而對(duì)于單頻信號(hào)或者由多個(gè)具有最小公倍數(shù)的頻率組合的多頻信號(hào)具有周期性。這樣我們可以在頻域?qū)π盘?hào)的頻譜進(jìn)行定量分析，從而得出其周期性。而我們通過(guò)先假設(shè)信號(hào)是周期的，然后算出頻率值，然后在用此頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，采取連續(xù)兩個(gè)周期的信號(hào)，對(duì)其值進(jìn)行逐次比較和平均比較，若相差太遠(yuǎn)，則認(rèn)為不是周期信號(hào)，若相差不遠(yuǎn)（約5%），則可以認(rèn)為是周期信號(hào)。

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