信号处理实验与设计总结报告

1、信号处理实验与设计音频信号源设计单片机软件程序设计目录音频信号源1.1 项目综述 1.2 电路仿真模块 1.2.1 文氏电桥振荡电路1.2.2 滤波器的设计 .1.2.3 电压抬升电路 .1.3 电路仿真结果 单片机软件程序设计2.1 项目综述 62.2 各软件模块 62.2.1 程序流程图 6222FFT的算法实现72.3 调试结果 2.3.1 调试软件及平台 82.3.2 调试波形 83 参考文献 94 附录 101音频信号源1.1项目综述信号发生器也称信号源，是用来产生振荡信号的一种仪器，为使用者提供需 要的稳定、可信的参考信号，并且信号的特征参数完全可控。所谓可控信号特征， 主要是指输

2、出信号的频率、幅度、波形、占空比、调制形式等参数都可以人为地 控制设定。音频信号发生器是测量声音信号及处理设备性能指标必不可少的仪器。 目前常用的音频信号发生器普遍由单片机及外围电路组成，频率稳定。在本次实验中，我们在硬件电路设计中选用了文氏电桥振荡电路、 放大电路、 抬升电路、1阶低通滤波器。文氏电桥震荡电路放大电路抬升电路：滤波电路图1-1系统基本方案框图1.2电路仿真模块1.2.1文氏电桥振荡电路文氏电桥，又称文氏电桥振荡电路，是利用 RC串并联实现的振荡电路。文 氏桥振荡电路由两部分组成：即选频网络和放大电路，如图 1-2所示。由集成运 放组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入电阻高、

3、输出电阻低的特点。文氏桥式振荡器用于产生频率范围为10Hz1MHz的振荡信号。它由一个文氏桥正弦振荡电路构成，如图1-2所示。U1A和R2、Q1、R3等构成比例放大 器，改变R2阻值可以改变输出信号幅度，改善失真情况，C1、C2、R6、R7等1 1构成RC选频网络，其工作频率?=，？= - 0D1和C6构成峰值整流电路。设U1A的“1”脚输出震荡信号电压为?，忽略二极管导通压降，则 C6两 端获得的直流电压？?6= -|?o|,该电压加到N沟道结型场效应管Q1的栅极，改 变栅源电压？?？以控制其沟道电阻？?？进而改变了运放的放大倍数，以达到稳 定输出幅度的目的。若输出电压？?有增加趋势，则产生

4、了如下的负反馈过程：? T 诧?6 fT?4旱?ff 运算放大器倍数（？?= 1 + ? '? ） JT? J通过这种负反馈调节作用，可以稳定输出幅度。为提高负载能力，在U1A后 面使用了一级由U4A构成的电压跟随器，用于消除来自电源的噪声干扰。在设计过程中，为了使频率可调，可先选定电容C,再根据所得到的频率范围再选择双联电位器替代电阻 R即可。当f = ?时的反馈系数为1/3,根据起 振条件，要求放大环节的放大倍数 A > 3，即：A = 1 + -? > 3即改变滑动变阻?器阻值，使其起振。1.2.2滤波器的设计电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对

5、电源线 中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电 源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。在本次实验中，我们选取的是低通滤波器，它允许信号中的低频或直流分 量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。图1-3滤波电路如图1-3所示，这是一个简单的一阶低通滤波器，输入电路是单节低通RC滤波器，通过带有负反馈环路的运算放大器提供单位增益。简而言之，这是一 个在输入信号和同相输人端之间接有RC滤波器的一个电压跟随器。它从fc开始，按-20dB/十倍程衰减。(当频率增加到原来的十倍程时，电压增益下降到原来的1/10)1.2.3电压抬升电路R1-I74丄 4kfi .R8-R5Aw-

6、:lOkflLMJSflADr ' - R1fl '' J:工 IflkQ 二13VDD -5V图1-4 抬升电路如图1-4电路抬升部分，使用一个减法运算电路实现，输入信号分别通过电 阻由同相端和反相端同时输入。根据虚段虚断的概念，应用叠加定理可得计算公 式如下：?10 ?1 ?10U0 = (1 +)-5?-?0(?5) ?1+ ?8 " ?5?将仿真图中各电阻对应阻值带入上式，得：U0 2.9 - ?1.3电路仿真结果1.3.1放大电路:m 20 Tfh40G5n411417 3mm.Tn4 站 ImW 岀哥<l-n<_=m6411. MMB4

7、11-艸$站| &B J 13 ZTh.4 T4 3l? 1r.iim -M 心 DC# -5.7.1101-134D丘I -1 oBM*1 - 0*5*-图1-5 128Hz信号的输入输出波形及参数频率为128Hz时，放大刖电压约为581mV,经放大后电压约为1.74V，近似放大了 3倍。W喘 <llc£ojft* KJfi：! Bxli,ej4lX2L- 5p.V：|CL2 kC9»$fl1,03441dx4B*7MC|i4S.7MU砌-446,1424uT打4-SMlL/X<GhanrkzR 出出亠<OTIE珈tn it &tarn

8、»UCkLBKJ I 丨 口QhannnLB 罟诃3 o o- D O 2 1D. 2 0O30299 8m3M2m3M.6m3110mJ17 5mg 社 VSU R图1-7 128Hz信号的输入输出波形及参数-io121 Mi119 DTm11&.%ntH9.%ti119.01m1W.04ni钦图1-6 20.5kHz信号的输入输出波形及参数频率为20.5kHz时，放大前电压约为611mV,经放大后电压约为1.83V，近似放大了 3倍。1.3.2滤波电路频率为128Hz时，输入输出波形几乎重合在一起，对比数据以及由波形可看 出, 128Hz信号经低通滤波后，基本保持不变，说

9、明低通滤波效果较好。二 亠 =w-订0QHXIs削2M KAH»Hu113U.LEXL.1ZrrE册HiM： 肛】乩药血L-1Wi- :：vliTlc is!-” QL4 . P >：1 f/ A卜'ii nJ4"JrlBSSU-L.lliB牛:Jh】砒Aj丄制匕r1 i tVxrn miir ;料L ' I E.43P>>FJTfSl*1 M-5_4.E4rk| :丁"So圳地E25.l=9 Cl寸+ x / IldNjMtrna 加；.| I f Al®/ * f J A /料gflCQ S'i II /y&

10、#39;oirlbnJiJJk11.-J£nt34J応11*n*I*科甘n§a"?.aSl图1-8 14kHz信号的输出波形及参数频率为14kHz时，信号经低通滤波后，被压低，输入信号幅值约为输出信号幅值约为1.20V, 1.20/1.73=0.69,基本符合预期效果。1<<< iarHhiUii*4?W34昇紂如-LLJLS LtZS?叩册丽f3Ui 噩1Hl；j-'WWl>4y 4.-轉詁屛* 1 ,I£ /?u -u T<112 41nzsFi2111 CT1H謚址打初1/ EM3-<IE£ 总

11、-mHrn £E<V7 1ZOIM111-falSSHH.tMEnaSf.JMIhH.tMTh: :.曲？j：=iw *时讪lTl8tlE3U.IIIOta<2 jmiZHLt 订CEi 5 *ft3 谄u-LIfl-JIman112 ehn丨寸斯图1-920.4kHz信号的输出波形及参数频率为20.4kHz时，信号经低通滤波后，被压低，输入信号幅值约为1.63V，输出信号幅值约为0.86V，0.86/1.63=0.53,基本符合预期效果。1.3.3抬升电路:目田曲 <l-T=_-uSB3 .包弓少述 . 5J. C-Cn3 o 仙 o 总Channel R 册讯V

12、一X- yiay dv/as«»Z -QlSiEta3n>B«3Hzt . e-t 73Z.73 -BITS9812m33B+m10图1-10 130Hz信号的输入输出波形及参数频率为130Hz时，抬升前电压约为471mV,抬升后电压约为3.3V，抬升了约2.9V,与理论的数值有所偏差，最后我们根据实际的调试确定的参数GO週建A老壇BKi1 鼻 r*i?品"|2S . 3&144744J.X«jCkIsTrTtTTZql34 tatva k 管 miZ_3；!&9 5u： *1l. WJlin:<0弭血1344tn解

13、昌片h14 filnM 亦IB戶七PI怛_图1-1120.4kHz信号的输入输出波形及参数频率为20.4kHz时，抬升前电压约为517mV,抬升后电压约为3.4V，抬升了 约2.9V,与理论的数值有所偏差，最后我们根据实际的调试确定的参数。2单片机软件程序设计2.1项目综述利用FFT计算音频信号的频谱并在 LCD上显示信号频谱及时域波形。音 频信号（点频）由学生信号源产生，使用熟悉的硬件平台（430单片机或32单片 机）搭建采样系统，编程实现频谱的计算及显示功能。该设计核心算法是FFT快速傅里叶算法，为满足设计的要求，我们经过不 断的实验，选取了较为合适的采样频率和采样时长。在已知采样频率和采

14、样时长 的前提条件下，则可得到进行 FFT运算的数据点数。因此可以实现利用 FFT计 算音频信号的频谱并在LCD上显示信号频谱及时域波形的任务。2.2各软件模块2.2.1 程序流程图图2-1主程序流程图2.2.2 FFT的算法实现快速傅里叶变换(FFT, fast Fourier transform),即利用计算机计算离散傅里 叶变换(DFT)的高效、快速计算方法的统称，简称 FFT，该快速变换是1965年 由J.W.库利和T.W.图基提出。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所 需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数 N越多，FFT算法计算量 的节省就越显著。FFT的基本思想是把

15、原始的 N点序列，依次分解成一系列的 短序列。充分利用DFT计算式中指数因子所具有的对称性质和周期性质，进而 求出这些短序列相应的 DFT并进行适当组合，从而达到删除重复计算，减少乘 法运算和简化结构的目的。在利用FFT进行频谱分析时，注意以下几个参数的选取：a、采样频率及频率分辨率。根据奈奎斯特采样定理，采样频率需大于等于信号最咼频率的2倍，但从工程角度出发，一般米样频率为信号最咼频率的68倍；b、 频率分辨率与采样时间长度成倒数关系，如果要求频率分辨率为5Hz， 则需采集0.2s的数据进行FFT运算；c、 已知了采样频率和采样时长，则可得到进行FFT运算的数据点数。2.3调试结果2.3.1

16、调试软件及平台PC机、电源、示波器、函数信号发生器、Keil3软件2.3.2调试波形利用FFT计算音频信号的频谱并在 LCD上显示信号时域波形图2-2 1kHz输入信号时域波形由波形可得出结论：输入信号为1kHz时，可以利用FFT计算音频信号的 频谱并在LCD上显示信号时域波形AdeCHAFruv<jgl.aOOOOOOMHz图2-3 3kHz输入信号时域波形由波形可得出结论：输入信号为3kHz时，可以利用FFT计算音频信号的频 谱并在LCD上显示信号时域波形。3 参考文献1 电子技术综合设计实验指导书，本院自编教材2 “信号处理实验与设计”实验指导书，本院自编3 模拟电子技术基础，杨明

17、欣，高等教育出版社4 全国大学生电子设计竞赛训练教程，黄智伟，电子工业出版社5 单片机原理及接口技术，曹琳梨，曹巧媛，国防科技大学出版社6 RC 文氏桥振荡器研究，百度文库4附录图2音频信号源PCB图表1兀器件清单元件名称封装数量/个LM324运放DIP84100k滑动变阻VR533DJ6TO92C11N4007DO-411排针HDR1X21 （排）0.01U瓷片电容Cap31u电解电容RB.1/.2110k电阻AXIAL-0.444k电阻AXIAL-0.41220电阻AXIAL-0.41100电阻AXIAL-0.4150电阻AXIAL-0.41表2软件清单函数文件函数功能main .c主程序timer.c定时器配置adc.c fft.cADC采集fft.c快速傅里叶变换Icd.c液晶显示表3项目执行计划时间/人员3.22 3.23复习、掌握相关专