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1、....单片机课程设计基于STM32F1的频谱分析仪班级:电子信息工程1111班(学号):指导老师:.资料.......题目:基于STM32F1的频谱分析仪关键词:频谱分析仪,STM32F1,快速傅立叶变换,FFT,双色点阵摘要本设计是基于STM32F1的频谱分析仪。以STM32F103RBT6为控制核心,双色点阵屏为显示器。硬件上由电源管理,通信模块,放大电路,以及单片机最小系统组成。算法上采用简洁稳定的快速傅立叶变换作为主要的核心算法,辅以自动增益控制,实现信号从时域到频域的变换。通过双色点阵屏显示,具有直观,清晰等特点。1.引言目前,由于频谱分析仪价格
2、昂贵,学校里只有少数实验室配有频谱仪。但是电子信息类教学,如果没有频谱仪辅助观察,同学们只能从书本中抽象理解信号的特征,严重影响教学实验效果。正对这种现状,提出了一种基于STM32F1的简易频谱分析仪的设计方案,其优点是成本低,能够直观的反映信号在频域的特征。2.系统方案本设计采用STM32F1作为核心处理器,该处理器核架构ARMCortex-M3,具有高性能、低成本、低功耗等特点。.资料.......主控板包括电源模块、红外通信模块、TDA2822放大模块等;信号经过放大电路放大之后,由芯片自带的ADC将模拟信号转换为数字信号,再由主控芯片对数字信号进行快
3、速傅立叶变换,驱动双色点阵屏显示。软件算法的核心容就是快速傅立叶变换。如下图为本设计总体框图。信号采集↓↓TDA2822信号放大↓↓MAX2756KHz滤波↓.资料.......↓STM32进行快速傅立叶变换↓↓32*64双色点阵屏显示1.系统硬件设计针对前面提出的整体设计方案,本设计采取模块化策略,将各个功能部分开来设计,最后组合起来。3.1电源管理模块系统的核心芯片为STM32F103,常用工作电压为3.3V,同时部的ADC工作的参考电压也是3.3V,一般的外部电源的电压都为5V,要使系统正常工作,需要将5V的电源电压稳压到3.3V。常用的78系列稳压芯
4、片已不再适用,必须选择性能更好的稳压芯片。经综合考虑,本电路采用LM1117-3.3作为电源部分的核心芯片。外部电源5V输入LM1117-3.3稳压为3.3V。由于点阵屏显示部分的电流较大,但是不在我们主控板上,所以暂不做考虑。电路图如下。.资料.......3.2信号放大模块TDA2822是OTL功放,输出电容起耦合作用,因为OTL功放在在静态时输出端都会有Vcc/2伏的输出,这样会搞坏扬声器,所以需要加个电容,隔离。单片机处理的话就不用输出电容了。STM32的AD模拟口输入的电压不能太大,超过了ADC的参考电压可能就直接烧毁了,还好TDA2822的工作电
5、压围广,直接给它3.3V供电就行。输出的1.6V连到单片机的模拟口。.资料.......3.3单片机最小系统该部分主要就是复位电路以及晶体振荡器:.资料.......3.4红外遥控电路.资料.......3.5PCB设计图.资料.......1.系统软件设计软件设计上由控制核心STM32F1对采样转换得到的数字信号进行处理,计算出各个频率分量的幅值,驱动点阵屏显示。下图是软件流程:.资料.......4.1.快速傅立叶变换以及相关原理数字信号的傅里叶变换,通常采用离散傅里叶变换(DFT)方法。DFT存在的不足是计算量太大,很难进行实时处理。计算一个N点的DF
6、T,一般需要次复数乘法和N(N-1)次复数加法运算.因此,当N较大或要求对信号进行实时处理时,往往难以实现所需的运算速度。1965年,J.W.Cooly和J.W.Tukey发现了DFT的一种快速算法,经其他学者进一步改进,很快形成了一套高效运算方法,这就是现在通用的快速傅里叶变换,简称FFT(TheFastFourierTransform)。快速傅里叶变换的实质是利用式(1)中的权函数的对称性和周期性,把N点DFT进行一系列分解和组合,使整个DFT的计算过程变成一系列叠代运算过程,使DFT的运算量大大简化,为DFT及数字信号的实时处理和应用创造了良好的条件。
7、快速傅里叶变换算法如下:.资料.......由(1)式可知,对每一个n,计算X(n)须作N次复数乘法及N-1次复数加法,要完成这组变换共需次乘法及N(N-1)次复数加法。但以下介绍的快速傅里叶变换的算法,可大大减少运算次数,提高工作效率。当时,n和k可用二进制数表示:又记 ,则(1)式可改写为(2)式中:(3)因为所以(2)可改成(4)(5)则式(5)即为式(4)的分解形式。将初始数据代入式(5)的第一个等式,可得每一组计算数据,一般将痗L-1组计算数据代入式(5)的第L个等式,计算后可得第L组计算数据(L=1,2,…,γ),计算公式也可表示为=(6)式中(
8、7).资料.......根据式(6),第L个数组中每