音频信号分析仪课程设计

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1、摘要：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10mVpp-5Vpp，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：FFTMCU频谱功率目录1方案论证与

2、比较51.1采样方法方案论证51.2处理器的选择方案论证错误!未定义书签。1.3周期性判别与测量方法方案论证错误!未定义书签。2系统设计72.1总体设计72.2单元电路设计52.2.1前级阻抗匹配和放大电路设计52.2.2AD转换及控制模块电路设计62.2.3功率谱测量单元电路设计63软件设计74系统测试85结论9参考文献：9附录：9附1：元器件明细表：9附2：仪器设备清单9附3：电路图图纸10附4：程序清单111方案论证与比较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D

3、DS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LCD系统方案一：基于ARMST710的专用芯片的体统方案。基于ARMST710音频频谱分析

4、仪系统原理图如下信号输入LCD接口ADCDACSRAMMCUARMSTTIOFLASHSDCard接口USB接口SDCard该方案采用DSP专用芯片ARMST710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

5、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128KBRAM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。FPGA点阵液晶字符液晶测频电路信号预处理128KBRAMC8051F060PC键盘DMAADC0信号输入整形信号最终方案选择：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

6、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

7、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

8、%），则可以认为是周期信号。2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50Ohm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1mV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