毕业设计-基于音频信号分析仪的设计.docx

2012-2013学年第一学期课程设计报告题 目： 音频信号分析仪的设计专 业： 通信工程 班 级： 10通信工程(2)班姓 名： 王俊戴家欣李挺捷夏宁卞颂扬指导教师： 周珍艮 电气工程系2012年10月27日《单片机原理与应用》任务书课题名称音频信号分析仪的设计指导教师（职称）周珍艮（副教授）崔雪英（讲师）执行时间2012-2013学年第一学期 第8周学生姓名学号承担任务王俊1009131064音频信号分析仪原理的设计戴家欣1009131010音频信号分析仪总体的设计李挺捷1009131036音频信号分析仪单元电路的设计夏宁1009131076音频信号分析仪软件的设计卞颂扬1009131002音频信号分析仪系统的测试设计目的设计制作一台可分析音频信号频率成分并可测量正弦信号失 真度的仪器设计要求1、设计制作一台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；2、 仪器能够检测的输入信号的范围（峰峰值）为100mV5V, 并可进一步扩展输入信号的动态范围；3、 能实现对输入信号进行频率和功率的检测，其中对信号频 率的分辨力为100Hz,并可扩展至20Hz；4、 具有判断信号的周期性及测量正弦信号的失真度功能。

本音频信号分析仪由32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，然后通过高分辨率的 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 20Hz-10KHz,其幅度范围为100mV-5V,分辨力分为20Hz和100Hz两档测量功率 精确度高达1%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析仪 的解决方案关键词：FFT MCU频谱功率分辨力目录《单片机原理与应用》任务书 I摘要 II目录 III第一章音频信号分析仪设计原理 11.1采样方法比较与选择 11.2处理器的比较与选择 11.3周期性判别与测量方法比较与选择 3第二章系统设计 42.1总体设计 42.2单元电路设计 52.2.1前级阻抗匹配和放大电路设计 52.2.2 AD转换及控制模块电路设计 72.2.3功率谱测量 7第三章软件设计 9第四章 系统测试 104.1总功率测量（室温条件下） 104.2单个频率分量测量（室温条件下） 10结论 12参考文献 13附录 14附1：电路图图纸 14附2：程序清单 15答辩记录及评分表 21第一章音频信号分析仪设计原理1.1采样方法比较与选择方案一、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处理。

方案二、直接由32位MCU的定时中断进行信号的采集，然后对信号分析由于32位MCU -LPC2148是60M的单指令周期处理器，所以其定时精确度 为16.7ns,已经远远可以实现我们的40.96KHZ的采样率，而且控制方便成本便 宜，所以我们选择由MCU直接采样1.2处理器的比较与选择系统方案一：基于ARMST710的专用芯片的体统方案基于ARM ST710音频频谱分析仪系统原理图如下信号输入ADC图1-1音频频谱分析仪系统原理图（1）该方案采用DSP专用芯片ARM ST710进行控制和FFT计算，速度快，且 具有波形存储和处理后的波形可以重放功能还配有输出接口与示波器销量可 以从时域和频域观察波形，非常直观、实用系统方案四：基于单片机C8051F060+FPGA构成信号分析仪，该系统原理方 框图如图所示单片机C8051F060独立完成4096点FFT运算和信号的失真度分 析虽然这种方案在速度上不及采用专用DPS芯片快，但采用优化的FFT,并 将优化后的FFT再单片机内做实验，利用外扩的128KB RAM运算4096点FFT 计算幅度谱，利用FPGA进行测频和控制其运算时间也不超过4S,能够达到设 计要求。

信号输入整形信号图1-2音频频谱分析仪系统原理图(2)最终方案选择：由于快速傅立叶变换FFT算法设计大量的浮点运算，由于一 个浮点占用四个字节，所以要占用大量的内存，同时浮点运算时间很慢，所以采 用普通的8位MCU 一般难以在一定的时间内完成运算，所以综合内存的大小以 及运算速度，我们采用Philips的32位的单片机LPC2148,它拥有32K的RAM, 并且时钟频率高达60M,所以对于浮点运算不论是在速度上还是在内存上都能够 很快的处理1.3周期性判别与测量方法比较与选择对于普通的音频信号，频率分量一般较多，它不具有周期性测量周期可以 在时域测量也可以在频域测量，但是由于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分析其周期性而在时域分析信号，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第二章系统设计2.1总体设计音频信号经过一个由运放和电阻组成的500hm阻抗匹配网络后，经由量程 控制模块进行处理，若是一般的100mV-5V的电压，我们选择直通，也就是说信 号没有衰减或者放大，但是若信号太小，12位的A/D转换器在2.5V参考电压的 条件下的最小分辨力为ImV左右，所以如果选择直通的话其离散化处理的误差 将会很大，所以若是采集到信号后发现其值太小，在20mV-250mV之间的话，我 们可以将其认定为小信号，从而选择信号经过20倍增益的放大器后再进行A/D 采样图2-3仪表放大器INA217内部原理图其中放大器A1的输出电压计算公式为OUT1=1+ (Rl/RG) *VIN+同理， OUT2=1 + (R2/RG) *VIN-R3、R4、R5、R6及A3构成减法器，最后得到输出公式VOUT= (VIN2-VIN1) *[1+ (R1+R2) /RG] R1=R2=5K,取RG=526,从而放大倍数为20。

171826T-5m D2r-^— DGND DIDGND DOAGND1'>-zl- AGND2 V-—ADS7819U图2-4 AD转换及控制模块电路图采用12位AD转换器ADS7819进行转换，将转换的数据送32位控制器进行处理2.2.3功率谱测量功率谱测量主要通过对音频信号进行离散化处理，通过FFT运算，求出信 号各个离散频率点的功率值，然后得到离散化的功率谱由于题目要求频率分辨力为1OOHz和20Hz两个档，这说明在进行FFT运算 前必须通过调整采样频率(fK)和采样的点数(N),使其基波频率千为100Hz和 20Hzo根据频率分辨率与采样频率和采样点数的关系：f=fk/N;可以得知， fk=N*f;又根据采样定理，采样频率fk必须不小于信号频率和的2倍，艮"fk>=2fm;题目要求的最大频率为10KHz,所以采样频率必须大于20KHz,考虑到FFT 运算在2的次数的点数时的效率较高，所以我们在20Hz档时选择40. 96KHz采样 率，采集2048个点，而在100档时我们选择51.2KHZ采样率，采集512个点通过FFT分析出不同的频率点对应的功率后，就可以画出其功率谱，并可 以在频域计算其总功率。

第三章软件设计主控制芯片为LPC2148,测量周期为Atmegal6实现，由于处理器速度较快，所以采用C语言编程方便简单.软件流程图如下:▼ Y设为20HZ档采样数据，存储显 示和进行FFT运算Y关闭中断频率串口发送至LPC148显示频率返回主流程图周期性分析和测量流程图图3-1软件流程图第四章系统测试4.1总功率测量(室温条件下)表4-1总功率测量结果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100Hz1 Vpp0. 1270. 1290. 1251.2%1KH1 Vpp0. 1260. 1290. 1251.3%音频信号20Hz-10KHz20mVpp-5Vpp0. 7830.761X《5%1. 8031.777X《5%结果分析：由于实验室提供的能够模仿音频信号的且能方便测量的信号只 有正弦信号，所以我们用一款比较差点的信号发生器产生信号，然后进行测量， 发现误差不达，在5%以内我们以音频信号进行测量，由于其实际值无法测量, 所以我们只能根据时域和频域以及估计其误差，都在5%以内4.2单个频率分量测量（室温条件下）表4-2单个频率分量测量值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点次大功率频点功率正弦波500HzlOOmVpp500Hz1. 20mw520Hz0. 04mW正弦波5KHzIVpp5KHz120mw5. 02KHz3. 56mw音频信号20Hz-10KX880Hz23mw600Hz4. 3mw结果分析：我们首先以理论上单一频率的正弦波为输入信号，在理想状况下, 其频谱只在正弦波频率上有值，而由于有干扰，所以在其他频点也有很小的功率。

音频信号由于有多个频点，所以没有一定的规律性由于音频信号波动较大, 没有一定的规律，且实验室没有专门配置测量仪器，所以我们只好以正弦波和三 角波作为信号进行定量分析测量，以及对音频信号进行定性的分析和测量我们 发现其数字和用电脑模拟的结果符合得很近10结论系统的主要性能指标为：输入阻抗50 Q,输入信号电压范围（峰一峰 值）100mV〜5V,输入信号包含的频率成分范围为200Hz〜10kHz,频率分辨力 为100 Hz（可正确测量被测信号中，频差不小于100 Hz的频率分量的功率值），输 入信号的总功率和各频率分量的功率,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%,以5S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基于DSP单片机技术的音频信 号分析具有性能稳定，电路简单,速度快，成本低，体积小的特点，适用于需要音频 信号分析的嵌入式系统中，可。