07年A题实验报告(音频信号分析仪)解析

1、2007年全国大学生电子设计竞赛 【本科组】 音频信号分析仪（A题） 摘 要：本音频信号分析仪由 8 位 MCU 为主控制器，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 快速傅氏变换运算，在时域和 频域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 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 100Hz-10KHz，其幅度范围为 100mVpp-5Vpp。 关键词：快速傅里叶变换功率谱频谱 Abstract：The audio sig nal a nalyzer is based on a 8-bit MCU con tr

2、oller, through the AD converter for audio signal sampling, the continuous signal discrete, and then through the FFT fast Fourier tran sform computi ng, in the time doma in and freque ncy doma in of the various audio freque ncy sig nal weight and power, and other in dicators for an alysis and process

3、 ing, and the n through the LCD display sig nals in the spectrum. The system can accurately measure the audio signal frequency range of 100Hz-10KHz, the range of 100mVpp-5Vpp . Key Word : FFT Power Spectrum Frequency Spectrum目录 摘要： . 1 1. 系统设计 . 1 1.1 设计要求 . 1 1.1.1 设计任务 . 1 1.1.2 技术指标 . 1 1.2 方案比较与

4、选择 . 2 1.2.1 采样方法比较与选择 . 2 1.2.3 信号功率计算方案比较 . 3 1.3 方案论证 . 3 2. 单元电路设计及参数计算 . 4 2.1 前级阻抗匹配和放大电路设计 . 4 2.2 抗混叠低通滤波器设计 . 6 3. 软件设计 . 7 3.1 程序总体流程图 . 7 3.2 程序清单（见附录 2） . 7 4. 系统测试 . 7 4.1 测试仪器 . 7 4.2 测试结果 . 8 5. 结束语 . 8 参考文献 . 8 附录 . 9 附录 1 主要元器件清单 . 9 附录 2 程序清单 . 91 1. 系统设计 1.1 设计要求 1.1.1 设计任务 设计、制作一

5、个可分析音频信号频率成分，并可测量正弦信号失真度的仪器。 1.1.2 技术指标 （1） 基本要求 输入阻抗：50 Q 输入信号电压范围（峰-峰值）：100mV5V 输入信号包含的频率成分范围：200Hz10kHz 频率分辨力：100Hz （可正确测量被测信号中，频差不小于 100Hz 的频 率分量的功率值。） 检测输入信号的总功率和各频率分量的频率和功率， 检测出的各频率分 量的功率之和不小于总功率值的 95%;各频率分量功率测量的相对误差的绝对值 小于10%，总功率测量的相对误差的绝对值小于 5%。 分析时间：5 秒。应以 5 秒周期刷新分析数据，信号各频率分量应按功 率大小依次存储并可回放

6、显示，同时实时显示信号总功率和至少前两个频率分量 的频率值和功率值，并设暂停键保持显示的数据。 （2） 发挥部分 扩大输入信号动态范围，提高灵敏度。 输入信号包含的频率成分范围：20Hz10kHz。 增加频率分辨力 20Hz 档。 判断输入信号的周期性，并测量其周期。 测量被测正弦信号的失真度。 其他。 2 1.2 方案比较与选择 1.2.1 采样方法比较与选择 方案一：采用 DDS 芯片 用 DDS 芯片配合 FIFO 对信号进行采集，通过 DDS 集成芯片产生一个频率 稳定度和精度相当高的信号作为 FIFO 的时钟，然后由 FIFO 对 A/D 转换的结果 进行采集和存储，最后送 MCU

7、处理。 方案二：采用单片机 直接由 MCU 的定时中断进行信号的采集，然后对信号分析。 C8051F020 的 单指令周期为 90ns，可实现 25.6KHZ 的采样率，且控制方便成本便宜。 经比较，选用方案二，用单片机进行信号采样。 1.2.2 周期性判别与测量方法的比较与选择 方案一：时域测量 在时域分析信号，我们可以先对信号进行处理，然后假定具有周期性，然后 测出频率，把采样的信号进行周期均值法和定点分析法的分析后即可以判别出其 周期性。 方案二：频域测量 频域测量周期性要求某些频率点具有由规律的零点或接近零点出现， 所以对 于较为复杂的，频率分量较多且功率分布较均匀且低信号就无法正确的

8、分析其周 期性。 综上， 我们选择信号在时域进行周期性分析和周期性测量。 对于一般的音频 信号，其时域变化是不规则的，所以没有周期性。而对于单频信号或者由多个具 有最小公倍数的频率组合的多频信号具有周期性。 这样我们可以在频域对信号的 频谱进行定量分析，从而得出其周期性。而我们通过先假设信号是周期的， 然后 算出频率值，然后在用此频率对信号进行采样， 采取连续两个周期的信号，对其 值进行逐次比较和平均比较，若相差太远，则认为不是周期信号，若相差不远（约 5%,则可以认为是周期信号 123 信号功率计算方案比较 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3 测出信号

9、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。 本设计中我们可以通过 FFT 得到信号的频谱，因此选用方案二。 1.3 方案论证 音频信号经过一个由运放和电阻组成的 50 ?阻抗匹配网络后，经由多路放 大模块进行处理，若是一般的 1Vpp-5Vpp 的电压，我们选择直通，也就是说信 号放大倍数为 1;在 250mVpp-1Vpp 之间的话， 信号经过 4 倍增益的放大器后再 进行 A/D 采样；在 50mVpp-250Vpp 之间的话，信号经过 20 倍增益的放大器后 再进

10、行 A/D 采样；在10mVpp-50Vpp 之间的话，信号经过 100 倍增益的放大器 后再进行 A/D 采样。 经过单片机 12 位的 ADC0 转换后的数字信号经由 MCU 进行 FFT 变换和处 理，分析其频谱特性和各个频率点的功率值，运算出来后将频率值、功率值、失 真度送至液晶屏进行显示。4 2. 单元电路设计及参数计算 2.1 前级阻抗匹配和放大电路设计 vcc 图 2.1.1 前级阻抗匹配 信号输入后通过 R16,R18 两个 lOOOhm 的电阻和一个运放 NE5532 实现跟随 作用。由于理想运放的输入阻抗为无穷大，所以输入阻抗即为：R16/R18=50Ohm, 阻抗匹配后通

11、过控制选择信号是直接送给 AD 转换还是放大 4 倍、20 倍、100 倍 其中反向比例放大倍数A弋。类似的，得到放大倍数为4倍、20倍、100 倍、0.4 倍的放大电路如下图所示LU4B 5V 5 6 2.2 抗混叠低通滤波器设计 Rta: -WW- 6.2ka R17 -WV- 6.2KQ 图 2.2抗混叠低通滤波器图 2.1.6衰减 2.5倍 7 3. 软件设计 3.1 程序总体流程图 3.2 程序清单（见附录 2） 4. 系统测试 4.1 测试仪器 台式万用表，型号：UT802 程控直流电源，型号:MPD-3303 任意波形发生器，型号：YB32020 FFT 图 3.1程序总体流程图

12、 * 信号 实时 频1M 显示 8 示波器，型号：DXO-X2002A 4.2 测试结果 （1） 总功率测量（室温条件下） 输 入信 号 频率 幅度 测量时域总功 率（w） 测量频域总 功率（w） 理论值 估算误差 正 弦波 100Hz 1 Vpp 0.127 0.129 0.125 1.2% 1KH 1 Vpp 0.126 0.129 0.125 1.3% （2）单个频率分量测量（室温条件下） 输入信号 频率 幅度 最大功率 频点 最大功率 频点功率 次大功率频 占 八、 次大功率频 点功率 正弦波 500Hz 100mVpp 500Hz 1.20mw / / 正弦波 5KHz 1Vpp 5

13、KHz 120mw / / 正弦波 10KHz 1Vpp 10KHz 118mww / / 正弦波 1KHz 1Vpp 1KHz 126mv / / 3KHz 1Vpp / / 3KHz 117mw 5. 结束语 本实验方案由于软件难度比较大，于是在完成题目要求的情况下精简硬件电 路减少软件的开发复杂程度。本方案的优点就在于用简单低廉的硬件电路以及单 片机 C8051F020 完成音频信号的检测分析并达到很好的效果，可以推广使用。 参考文献 1 童诗白，华成英模拟电子技术基础（第四版）M.北京:高等教育出版社,2006 2 肖看,李群芳.单片机原理、接口及应用一一嵌入式系统技术基础 （第二版）

14、M. 北京:清华大学出版社,2010 3黄智伟,王彦,陈文光，朱卫华.全国大学生电子设计竞赛训练教程（修订版）M. 北京:电子工业出版社,2010 4周利清,苏菲,罗仁泽.数字信号出来基础（第三版）M.北京:北京邮电大学出版 9 社,2012 附录 附录 1 主要元器件清单 (1) C8051F020 1 片 (2) NE5532 3片 (3) 电阻电容 若干 (4) LCD 及矩阵键盘 1个 附录 2 程序清单 fft.c dian 为点数,dian=pow(2,m) #in elude math.h #in elude C8051F020.h #i nclude DataType.h #i

15、 nclude stri ng.h #i nclude stdio.h #defi ne PI 3.1415926 #defi ne G2 1.4142135 float XR256=0,XI256=0,XX127=0,Xu=0; / 实部和虚部 float Xa=0; int Hn=0; int freq=0; int freq1=0; un sig ned char m=8; /dia n 6=64; 64 点 FFT un sig ned int N; code int dia n=1,2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024,2048,4096; void but

16、terfly(void); / 蝶形运算 int gcd(i nt m,i nt n); void fft(void) / 位倒置 / 求最大值点 / X=0; 10 int i,j,k,n,h=O; i,j 为临时变量，k 是倒置后的次序 float temp,X,temp1=0; N=dia n m; Xu=0; for(i=0;iN;i+) XRi=XRi/4095*2.630; for(i=0;iN;i+) k=0; for(j=0;jm;j+) if(ij)&0 x01)=1) 判断第 j 位是否为 1 k=k+(1(m-j-1); 如果是，则倒置后的 K 对应是第 10-j

17、-1 位 为 1,例如 i 的第二位为 1,则 k 的第七位为 1 XIk=XRi; for(i=0;iN;i+) XRi=XIi; XIi=0; 虚部置 0 butterfly。； /计算各频率点幅值/ XR0=sqrt(XR0*XR0); XR0=XR0/N; XR0=XR0*XR0; Xa=0; for(i=1;i128;i+) Xa+=(XRi*XRi)+(XIi*XIi)/256; XRi=sqrt(XRi*XRi)+(XIi*XIi); XRi=2*XRi/N/G2; XRi=XRi*XRi; Xa+=XRi; XIi=0; for(i=1;i128;i+) / 不能算直流 if(

18、XXRi+1) / 存储便于回放数据 / for(i=0;i127;i+) 11 X=XRi+1; n=i+1; /求不为 0 的频率点的最大公约数/ for(i=1;i0.00500) n=gcd( n,i); Xu+=XRi; Hn=(float)80/3* n; freq=n; Hn=100* n; temp1=XR1; / 排序 / for(i=1;i128;i+) if(temp1XRi&XRi!=XRfreq) freq1=i; temp1=XRi; / for(j=0;j=128-1;j+) / / for (i=1;i128-1-j;i+) / if (XRiXRi+1

19、) / / temp=XRi; / XRi=XRi+1; / XRi+1=temp; / / / 12 XXi=XRi+1; /* END FFT */ IIIIIIIIIIIII 蝶形运算 IIIIIIIIIIIIIIII void butterfly(void) float TR,TI,WR,WI; un sig ned int i,j,k,p,A,B; 内循环的级数 A = m; for(i=0;iA;i+) II 即 B=pow(2,i),B 等于 2 的 i 次幕 即 C=N/pow(2,i+1) 中循环 p=j*(1(A-i-1); IIfor(k=0;kC;k+) for(k=j

20、;kN;k=k+2*B) TR=XRk; TI=XIk; WR=XRk+B*cos(2*PI*p)/N)+XIk+B*si n( (2*PI*p)/N); WI=-XRk+B*si n( (2*PI*p)/N)+XIk+B*cos(2*PI*p)/N); XRk=TR+WR; XIk=TI+WI; XRk+B=TR-WR; XIk+B=TI-WI; IIIIIIIIII 最大公约数 IIIIII in t gcd(i nt m,i nt n) II 求最大公约数 int temp,r; if(m n) temp=m; m=n; n=temp; II* A为外循环的级数；B 为中循环的级数,C 为 外循B = 1i; IIC=NI(1(i+1); for(j=0;j800&