音频信号分析仪设计报告.doc

音频信号分析仪设计报告院校： 电子信息学院 专业： 电子信息工程 组员： 王辉 曹肖 学号： 1228401066 1228401164 指导老师： 邓晶 2015年6月01日目录摘要1前言1第一章 音频信号分析仪总体设计方案21.1系统功能概述21.2 系统总体结构及工作流程21.3关键技术概述2第二章 系统的硬件设计32.1 阻抗匹配及射极跟随电路32.2低通滤波电路32.3 峰值检测电路32.4 电压比较电路42.5 放大电路42.5.1 0.5倍放大电路42.5.2 5倍放大电路4第三章 系统的软件设计53.1 软件设计总体流程图53.2 具体软件流程63.2.1 DMA传输流程图63.2.2按键中断流程图6第四章 音频信号分析仪的调试与实现84.1 调理电路调试84.1.1阻抗匹配及射极跟随电路调试84.1.2 峰值检测电路调试84.1.3 0.5倍放大电路调试94.1.4 5倍放大电路调试9 4.1.5 二阶低通滤波 4.2 系统功能测试10第五章 总结115.1 音频信号分析仪系统的功能实现115.2 输入音频信号115.3 结论12参考文献13致谢13附录 系统源程序14摘要本文介绍了一套基于STM32微处理器，通过前级硬件电路，将所得到的电压值经过A/D转化器转换为数字信号，进行FFT变换和处理，分析其频谱特性，各个频率点的功率值及周期性，然后将这些值送TFT液晶显示屏进行显示。关键词: STM32；TFT液晶显示前言随着现代科技的迅速发展，触屏手机俨然成为了人们日常生活中必不可少的一部分。舒适的界面，人性化的设计，功能的齐全让人们爱不释手。人们只要随意的在界面上点击所要进入的软件便能轻松的访问，这不仅为人们带来了方便，也使得人机一体化。本文所介绍的是一套以STM32微处理器做为主控，将输入信号通过A/D转换器，再利用TFT液晶显示屏显示出音频信号的频谱及功率谱，达到对输入音频信号的分析。本系统具有以下特点：A/D转换信号周期性判断TFT液晶屏显示本文内容分为以下几个部分：第一章总体设计；第二章分系统的硬件介绍；第三章 按功能介绍分系统软件的实现形式；第四章描述系统实现功能效果与调试中出现的重点问题及解决方案；第五章项目设计总结。第一章 音频信号分析仪总体设计方案1.1系统功能概述检测输入信号的总功率和各频率分量的频率和功率，并判断输入信号的周期性，以5秒周期分析刷新分析数据，输出数据通过TFT液晶显示屏显示。1.2 系统总体结构及工作流程本系统使用STM32微处理器作为主控芯片，主要运用TFT显示技术，构建的系统结构如图1-1所示。图1-1 系统总体结构图信号通过前级阻抗匹配，射极跟随及滤波电路后，为了能保证进入A/D的电压在1V至3.3V之间，此时信号通过峰值检测电路判断其大小，并选择一定的放大倍数来满足要求。若为小信号，则选择5倍放大器；若为大信号，则选择0.5倍放大器。输出信号再通过STM32中A/D转换器将输入信号转换为数字信号，经由32位MCU进行FFT变换和处理，分析其频谱特性，各个频率点的功率值及周期性，然后将这些值送TFT液晶显示屏进行显示。1.3关键技术概述1.3.1 A/D转化本模块采用定时器2（配置为PWM1模式）触发ADC1通道1进行采样，由于输入信号20Hz-10kHz,由采样定理知采样频率要大于20KHz。分辨率为20Hz时采样频率选为40.96KHz,采样点数为2048点。分辨率为100Hz时采样频率51.2KHz，采样点为512个。ADC采样后通过DMA传输到内存。这样可以不用CPU参与，提高刷新速率。1.3.2 TFT液晶显示概述：主要是运用Showchar、ShowNum、DrawLine、Draw_Circle等函数频谱显示：由FFT变换可以求出各个频率点对应的幅值，在坐标轴上依次画出各频率幅值对应的高度周期性检测：求两次频谱，对其值进行逐个频率点比较，若相差太远，则认为不是周期信号，若相差不远（设定一个阈值），则可以认为是周期信号。 失真度：1.3.3 FFT模块 FFT（Fast Fourier Transform）是DFT的快速算法,通过FFT可以将一个信号从时域变换到频域。其原理是将长序列DFT根据其内在的对称性和周期性分解为短序列的DFT之和.N点的DFT先分解为2个N/2点的DFT,每个N/2点的DFT又分解为N/4点的DFT.最小变换的点数即所谓FFT的“基数”.因此,基数为2的FFT最小变换是2点DFT(或称蝶形运算).下面的章节将详细介绍该分系统硬件与软件的实现。第二章 系统的硬件设计本系统的硬件部分主要由阻抗匹配，射极跟随，滤波电路，峰值检测，电压比较器及放大电路组成。本章重点在于介绍上述电路间的连接方式与相应设计。2.1 阻抗匹配及射极跟随电路射极跟随电路对前级电路影响小，可以作为多级放大器的第一级；输出阻抗低，带负载能力强，可以作为多级放大器的输出级；在此电路中作为缓冲级。如图2-1所示。图2-1 射极跟随电路2.2低通滤波电路 低通滤波电路主要目的是滤波,使得到的直流电压更平直,更理想。如图2-2二阶低通滤波电路。图2-2 二阶低通滤波电路2.3 峰值检测电路峰值检测电路主要是对输入信号的峰值进行提取，为后级的电压比较作准备。如图2-3峰值检测电路。图2-3 峰值检测电路2.4 电压比较电路电压比较电路实现将通过峰值检测后得到的电压值与1V及3V比较，判断其最终的放大倍数。如图2-4电压比较电路。图2-4 电压比较电路2.5 放大电路2.5.1 0.5倍放大电路 对于输入的大信号进行0.5倍放大，使其电压满足A/D所需电压。如图2-5 0.5倍放大电路。图2-5 0.5倍放大电路2.5.2 5倍放大电路对于输入的小信号进行5倍放大，使其电压满足A/D所需电压。如图2-6 5倍放大电路。图2-6 5倍放大电路第三章 系统的软件设计系统的功能主要通过软件形式来体现，所以软件的编写是本次设计中的重点部分。下面将详细介绍本系统的软件工作过程。3.1 软件设计总体流程图本系统选用STM32F103VB为主控芯片。其供电电压为2.03.36V，提供了一系列的省电模式和时钟选择以保证低功耗的运转。同时，STM32F103内置两个A/D转换模块，可用于音频信号的采集。基于上述功能，采用STM32F103模块可以满足音频信号分析仪的要求。如图3-1 主函数流程图。NYY开始系统初始化512点A/D采样数据计算频谱显示画面暂停DMA传输数据回放画面暂停数据回放N图3-1 主函数流程图3.2 具体软件流程3.2.1 DMA传输流程图将A/D采样的结果通过DMA传输，若512次传输完成则传输完成，否则将数据返回重新进行A/D采样，重复循环，直至数据传输完成。如图3-2 DMA传输流程图。失能TIM3结束N开始A/D有采样结果DMA传输512次传输传输完成N图3-2 DMA传输流程图3.2.2按键中断流程图利用STM32F103上的四个按键，分别实现档位切换、显示界面切换、数据回放及暂停开始的切换。采用中断的方法，来控制显示屏上的数据显示。如图3-3按键中断流程图所示。按键中断显示下一页显示数据回放暂停/返回频谱返回到第一页按键1按键2按键3按键4图3-3 按键中断流程图第四章 音频信号分析仪的调试与实现硬件连接后，在系统软件设计的过程中，采用了分模块设计的方法，最后综合调试，完成系统设计之初预想的功能。下面将详细介绍系统硬件及软件的调试过程。4.1 调理电路调试4.1.1阻抗匹配及射极跟随电路调试当输入信号频率为1KHz，峰峰值为2.6V时，经阻抗匹配及射极跟随电路后信号的频率为1KHz，峰峰值为2.6V，基本无噪声，满足要求。如图4-1所示。图4-1阻抗匹配及射极跟随电路调试图4.1.2 峰值检测电路调试当输入信号频率为10KHz，峰峰值为5.2V时，经峰值检测电路后检测到信号最大值为2.4V，误差为7%，基本无噪声，满足要求。如图4-2所示。图4-2峰值检测电路调试图4.1.3 0.5倍放大电路调试当输入信号频率为9.99KHz，峰峰值为1.08V时，经0.5倍放大电路后信号的频率为9.98KHz，峰峰值为552mV，幅度误差为2.22%，基本无噪声，满足要求。如图4-3所示。图4-3 0.5倍放大电路调试图4.1.4 5倍放大电路调试当输入信号频率为1KHz，峰峰值为240mV时，经5倍放大电路后信号的频率为1KHz，峰峰值为1.22V，幅度误差为1.63%，基本无噪声，满足要求。如图4-4所示。图4-4 5倍放大电路调试图4.1.5 二阶低通滤波 输入信号为峰峰值5.3V的正弦信号时，输出信号随着频率增大刚开始只是频率变化，然后到达门限值幅值峰峰值减小实现滤波。结果如图4-5图 4-54.2 系统功能测试用函数发生器分别输入已知的正弦波，三角波及方波，同时也输入任意音频信号，将测量结果与理论值相比较。数据如下表4-2-1所示。输入信号实际测量类型频率Hz幅度mV理论功率第一频率第一幅度第二频率第二幅度第三频率第三幅度周期失真度%正弦19010000.0126390112389188918Y0.055方波22010000.0226520138560516100256Y1.007三角32010000.00785208786011110035Y0.243随机4-53.29813.16553.298N-第五章 总结5.1 音频信号分析仪系统的功能实现经过多个模块的统一调试，系统功能最终实现。本系统的实物结构如图5-1所示。图5-1 实物结构图5.2 输入音频信号当输入方弦信号 频率1.2kHz 幅值4V时，TFT液晶屏上显示如图 5-2 5-3所示。图 5-2 输入信号图图5-3 频谱显示 当输入3.2KHZ，峰峰值4V的方波，输入和输出如5-4和5-5： 5-4输入波形5-5 输出波形输入3.2KHZ，峰峰值4V的三角波，输出波形如下图；5.3 结论经过系统框架设计，硬件设计，软件设计与调试多个步骤，成功实现了音频信号分析仪的功能。系统工作稳定，功耗较低，完成了题目的要求。该音频信号分析仪实现了对频率范围20Hz10KHz音频信号频率成分的分析。通过此次课程设计，让我们懂得了书本上的知识除了老师上课传授给我们以外，更多的是要我们自己课后花时间琢磨和研究。只有自己动手实践过后才会对其有更多不一样的了解。同时，在此次学习过程中也让我们明白了团队合作的重要性。统筹的规划，合理的分工，定时的讨论及交流能让团队的进程更加快速。参考文献1 陈志旺等. STM32嵌入式微控制器快速上手. 北京：电子工业出版社，20122 廖义奎. Cortex-M3之STM32嵌入式系统设计. 北京：中国电力出版社，20123 康华光等. 电子技术基础（模拟部分）. 高等教育出版社