音频信号幅度频率指示器.doc

摘要:本系统采用OP07构成输入放大电路，对输入或采样的音频信号进行放大，放大倍数可调，放大后的音频信号经10频段音频带通滤波器在50Hz10KHz内进行分频，各频段所得信号经放大后独立控制一组10LED灯，以每频段灯亮的数目来表示该频段信号的强弱。经测试，该系统10频段分频准确，所控制LED灯亮数目和亮度符合设计要求。关键词:音频 带通滤波 LM3915Abstract:The system USES the OP07 constitute input amplifier circuit, Input or sampling audio signal amplifier, Magnification adjustable, Enlarge the audio signal after by 10 band audio tapes Filter 10KHz within in 50Hz separate frequency, Each frequency band income signal after enlargement independent control a group of 10 LED lamp, The number of each frequency band with lights to represent the frequency signal intensity. By test, this system frequency accurately, 10 frequency points Control LED light number and brightness comply with the design requirements.Key words:audio frequency Band-pass filter LM3915 目录1系统方案设计.1 1.1方案论证与比较.1 1.2总体方案.12电路设计与参数计算.1 2.1输入电路.1 2.2带通滤波器.2 2.3 LED控制单元.33 系统调试与结果测试.4 3.1输入信号测试.4 3.2滤波单元测试.4 3.3 LED控制单元测试.5 3.4系统测试.54结论.6参考资料 .61系统方案设计1.1方案论证与比较测量音乐信号频率掩护幅度的方法有很多，但都存在一定的优缺点。往往显得美中不足。有的使用单片机作为核心，用点阵模块显示；有的采用三极管与发光二极管结合的方法，通过放大不同幅度与频率的电压来驱动显示。方案一：基于MSP430F1161单片机的音频信号测试被测信号首先通过8阶有源巴特沃兹滤波器进行抗混叠处理，然后通过放大衰减，电平搬移缓冲网络后，送单片机处理。 该系统需要用到2片MSP430F1611单片机，一片负责对模拟信号进行采样，并对采集得到的信号进行4096点的FFT计算，另一片负责控制显示设备以及完成对信号的频率和幅度。因为输入信号最高为10 kHz，而有源巴特沃兹滤波器中心频率较高，过采样率较低，故对滤波器的要求就比较高。由于输入音频信号的幅度可能会较大，可能达到10 V峰峰值，MSP430F1611单片机片内AD采集信号范围为0251 V，故需将信号进行压缩。信号经压缩后可能会失真，整个过程相对比较繁琐。方案二：采用0P07双重组合构成带通滤波电路，该电路由十个部分，每一路都输出相应的一组频率与电压幅度值。该电路不仅可以放大信号，更重要的是它能将信号分成10个不同的频率段，这样 就有十个等级来显示音乐信号的频率，经放大的幅度值就用来驱动后续的发光二极管模块，这些二极管根据输出幅度的不同可以显示不同的亮度，再加上AT89S52单片机的控制，使得频率的区分更加明显，这样就不容易相互干扰，使显示层次分明，效果很不错。综合考虑，我们选择方案二。1.2总体方案本系统主要由三个模块组成，分别为输入模块，分频滤波模块，控制显示模块。输入模块为整个系统提供稳定幅度范围的信号源，接收外界音频信号，放大，在把信号输给下一级。分频滤波模块把信号分成十个频段，分十路输出，并对信号进行放大，以符合后续驱动电压要求，驱动后面的显示电路，以此来显示音频各频率强度的变化。控制显示模块主要对前级的信号进行显示，以发光的个数来区别信号的各频段的幅度值。并且在此基础上加入LED指示灯，以该指示灯的亮度来表示输入信号的整体强度。2电路设计与参数计算21输入电路 音频信号的输入方式有三种，第一种采用信号发生器输入，第二种使用麦克风输入，第三种可以用MP3等播放器直接输入。由于采用多方式的输入，既给试验带来方便，又可以避免某些突发情况。系统的输入模块包括由OP07构成的电压放大电路，根据信号输入的不同，可以调节放大倍数，以符合后续电路的要求2.2带通滤波器由带通滤波器构成的分频电路是整个系统的核心，由输入电路传来的信号经过它的分频，变成十个频段的信号，再由这些信号驱动后续显示模块。通滤波器是设计系统的关键所在，其性能直接决定系统的设计结果。在此通过OP07运放构成带通滤波器。带通滤波器的设计要求时，当输入信号达到滤波器的中心频率时，可以最大限度的放大，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。设计时根据国际半导体列出过音频阈的10频段的带通滤波器频段划分（32、64、125、250、500、1000、2000、4000、8000和16000(Hz)）作为系统设计10频段划分的依据，因设计要求音乐信号频率在50Hz10KHz的范围内，因此系统划分为（60，145，250，600，1000，2200，3300，5000，7000，10000（Hz）。设计采用反馈式带通滤波器，其单个原理图1如下：图1反馈式带通滤波器二阶带通滤波器的设计表其性能参数有：中心频率，对应的增益，带宽，品质因，值越高，滤波器的选择性越好，衰减速率越高，但值也不能太高，否则会使电路难以调整，一般取较好。题目的基本要求频率高低等级不少于6个，但为了更好的显示效果，在此采用十个频段等级，每个频段均采用二阶带通滤波器，是的输出更加精确。根据电路图1所示，设定Q，A，C，计算各电路参数 (1) 下表是音频10频段的元件参数，每一路都有一个中心频率和与之对应的电容电阻值。根据这些数据，利用上面给出的公式，可以计算出每一路的品质因数和增益。表1 带通滤波器各元器件参数频段中心频率RaRbRcC160Hz27K3.9K200K0.1uF2145 Hz12.8K1.8K101.9K0.1uF3250 Hz6.4K0.9K51K0.1uF4670 Hz3.1K0.45K25.5K0.1uF51KHz3.4K0.5K27K0.047uF62.2KHz7.96K1.14K63.7K0.01uF73.3KHz22K3.13K175K0.0022uF85KHz14.5K2K116K0.0022uF97KHz10.3K1.48K82.68K0.0022uF1010KHz7.2K1K58K0.0022uF2.3 LED控制单元1.为简化电路设计，在此利用LM3915点/柱状显示驱动芯片来驱动LED灯组，每片LM3915能驱动10个LED灯，因此每频段配备1路LM3915和10个LED灯，灯亮数目与该频段信号强度的对数成正比，符合人对音频频段的听觉要求，对应如表1所示：表2 灯亮数目与该频段信号强度对应表灯数12345678910信号强度对数-27db-24dB-21dB-18dB-15dB-12dB-9dB-6dB-3dB0dBLM3915集成块为双列18脚封装，主要用于发光二极管的驱动电路。它的1脚和1018脚均为发光二极管驱动输出端，2，4脚接地，3脚接正电源，5脚为输入端，9脚：(MODE)控制发光二极管显示方式。LED控制单元电路图2如图所示图2 LED控制单元电路图2.5 单片机测试单元 在系统中加入单片机系统来对进来的音频信号进行测量。首先将信号进行放大整形成为与信号频率成正比的脉冲波信号，利用单片机对信号进行单位时间内脉冲计数，从而得到信号的频率。得到频率后单片机控制频率LED的电压，使其明亮程度与输入的频率成正比。3系统调试与结果测试 测试仪器包括数字万用表，示波器，直流稳压电源，函数信号发生器。3.1输入信号电路测试 系统输入分为三种：标准信号源、MP3输入以及麦克风输入，根据后续电路LED信号灯010个点亮的电压范围约为01.2V，需要对MP3和麦克风输入信号进行放大，调节放大倍数使输出信号的电压范围在01.2V之间。3.2滤波单元测试根据所划分频段，对滤波器参数进行测试与调节，以标准信号源正弦波输入，带通滤波器性能如表X下：输入电压表1 带通滤波器各频段性能表频段 中心频 率中心频 率上频段中心频率衰减下频段中心频率衰减160Hz1.52V-19.0dB（20Hz）-17.6dB(145Hz)2145Hz1.56V-20.3dB(60Hz)-18.8dB(250Hz)3250Hz1.54V-20.2dB(145Hz)-22.2dB(600Hz)4600Hz1.56V-20.9dB(250Hz)-17.8dB(1KHz)51KHz1.52V-19.0dB(600Hz)-22.1dB(2.2KHz)62.2K1.54V-23.8dB(1KHz)-20.8dB(3.3KHz)73.3K1.54V-17.3dB(2.2KHz)-19.7dB(5KHz)85K1.54V-14.5dB(3.3KHz)-16.5dB(7KHz)97K1.52V-15.0dB(5KHz)-19.6dB(10KHz)1010K1.52V-19.6dB(7KHz)-20.7dB(16KHz)3.3 LED控制单元测试电路如上图X所示，计算参考电压理论上计算得到=8.3V，实际测量各灯点亮电压如下表所示（以1KHz正弦波为例,下列各组数据为峰峰值电压） 表1 灯亮数目与该频段信号强度对应表灯数12345678910输入3915电压 370 mV 560mV720mV 1.05V 1.46V2.06V2.91V4.2V6V 7.9V 3.4系统测试将各模块连接后对系统进行整体测试：（1） 标准信号源信号输入输入 以60HZ正弦波为例灯数12345678910输入系统电压70mV 95mV 130 mV 180mV250mV 340mV 480mV 750mV 1V 1.4V （2） 以MP3和麦克风输入信号观察到LED灯组随音乐或语音的强度和音调高低而成正比变化，符合设计要求。（3） 观察强度及频率指示灯强度随着信号的输入LED的亮度随信号强度的变强而变强，符合设计要求。4.结论该系统10频段分频准确，所控制LED灯亮数目和亮度均符合设计要求，它能够显示输入音频信号的频率和幅度的变化，我们在不同的频率段安排不同排的二极管发光，并且通过亮度的强弱来显示幅度的大小，效果明显，易于观察。