基于单片机的音频信号分析仪的设计
基于单片机的音频信号分析仪设计
基于单片机的音频信号分析仪设计
孙曼璐
【期刊名称】《电子制作》
【年(卷),期】2013(000)010
【摘要】音频信号分析仪是一种分析数字音频信号的分析装置，信号进入音频信号分析仪后，被转换成数字信号，再进行处理，提取信号的时域和频域特征。
通过音频信号分析仪可以用来进行语音识别、衡量音频设备性能等。
本设计中的音频信号分析仪以单片机和FPGA为设计核心，采用FFT法来分析音频信号频谱。
本设计中音频信号分析仪的模块有前级信号调理模块、有效值检波模块、采样保持模块等。
该音频信号分析仪的频谱测量频率范围为20 Hz~10 kHz，频率分辨率为5 Hz，幅度范围（峰-峰值）为10μV~20 V。
由于本设计的系统控制十分简单，而且设计成本低廉，因而该音频信号分析仪具有很好的实用前景。
【总页数】1页(P26-26)
【作者】孙曼璐
【作者单位】辽阳职业技术学院 111004
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于STM32的音频信号分析仪的设计与实现 [J], 陈坚;盛庆华;毛礼建;翟依依
2.基于单片机MSP430F5438的音频信号分析仪的设计 [J], 李建明
3.基于STM32的音频信号分析仪设计 [J], 郭嘉敬;黎扬欢
4.基于单片机的音频信号分析仪的设计 [J], 王平;江华丽;王毅;郑孔华
5.基于STM32的音频信号分析仪设计 [J], 郭嘉敬;黎扬欢
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FFT在单片机上的实现
FFT在单片机上的实现摘要音频信号分析仪是一种可广泛见于各种音响、调音和录音设备上的，能实时地采样及分析输入的音频信号的频谱，并将其显示在显示屏上的设备，使人在聆听音乐时能对音乐的高低频能有直观的了解。
本文所介绍的即是这样一个音频信号分析系统。
系统的硬件由信号调理、控制处理器、显示模块三部分组成。
信号调理电路使信号可输入300mV~3V的交流音频信号。
这里只对单路信号处理：当电压较低时使用LM324运放获得增益，对超过12800Hz的信号进行滤波处理。
另外设置输出音频接口以便监听。
控制处理器采用51内核1T单片机STC12C60A5S2，晶振频率为32.768MHz。
该单片机自带8路10位高速ADC，这里只用1路ADC的高8位。
对信号连续采32个点进行浮点型FFT运算。
一次完整采样的时间为1.25ms，最高采样频率为25600Hz，分辨频率为800Hz~12800Hz，分16级。
显示部分主体为1602液晶显示屏，其具有2行×16列的8×5点显示点阵。
16分频谱将分别以柱高形式显示在显示屏上。
程序中设置了频率下落效果以使观感更好。
另设置了对比度调节电阻，使屏幕对比度可调。
关键词：FFT 单片机音频频谱THE REALIZATION OF FFT IN THEMICROCONTROALERABSTRACTAudio signal analyzer is a kind of device which can be widely found in various of audio, mixing and recording devices, and can sampling and analysis of the spectrum of the input have an intuitive audio signal and displays it on the display in real-time, people can are listening to Music for music when high frequency understanding. What presented in this article is just such an audio signal analysis system. The hardware of the system are formed with three parts: the signal conditioner, the control processor and the display module.Signal conditioning circuit makes the signal of 300mV ~ 3V AC audio signal available for inputting. In this system,we only process with single-channel signal: When the voltage is lower the system uses LM324 op amp to gain voltage, and as to signals more than 12800Hz it filters them. In addition the system sets an output audio interface for monitoring.The control processor of the system is the 51 cores 1T MCU STC12C60A5S2, with 32.768MHz crystal frequency. The device comes with 8-channel &10-bit high-speed ADC, where only one channel ADC high 8. The signal collected 32 points in consecutive floating-point FFT operation. A complete sampling time is 1.25ms, the maximum sampling frequency is 25600Hz, and the distinguish frequency is 800Hz ~ 12800Hz, with 16 levels.The main display section is 1602 LCD screen, which has 2 rows ×16 columns - 8 × 5 dot display matrix. 16 points to the column height spectrum will be displayed on the display. The process of setting of the frequency drop in the perception of better effect. There is also contrast adjustment resistor, which makes the screen contrast adjustable.KEY WORDS：FFT,MCU,AUDIO SPECTRUM目录第1章绪论 (1)§1.1研究的背景及意义 (1)§1.1.1课题研究背景 (1)§1.1.2课题研究意义 (1)§1.2课题发展的状况 (1)§1.3设计任务 (2)第2章系统方案设计 (3)§2.1 系统方案设计 (3)§2.2系统硬件的选择 (3)§2.2.1处理器的比较与选择 (3)§2.2.2采样模块的确定 (4)§2.2.3显示器件的比较和选择 (4)第3章系统硬件设计 (5)§3.1 单片机STC12C5A60S2 (5)§3.1.1单片机STC12C5A60S2功能简介 (5)§3.1.2 单片机STC12C5A60S2引脚图 (6)§3.1.2 单片机的最小系统 (6)§3.2 显示屏LCD1602 (7)§3.2.1 LCD1602简介 (7)§3.2.2 LCD1602的硬件连接 (8)§3.3.1 LM324电压增益与偏移电路 (9)§3.3.2 滤波电路 (10)第4章系统软件设计 (11)§4.1系统软件总体设计 (11)§4.2 系统软件详细设计 (12)§4.2.1 系统的准备和初始化 (12)§4.2.2 AD采样子程序 (13)§4.2.3 蝶形运算的FFT算法 (15)§4.2.4 显示子程序 (17)第5章系统调试 (20)§5.1 信号电压调试 (20)§5.2 单频率信号测试 (20)§5.2.1 实际频率分度测试 (21)§5.2.1 频率混叠和滤波效果 (22)§5.3 实际使用效果 (22)结论 (24)参考文献 (25)致谢 (26)附录 (27)一、主程序代码 (27)二、原理图 (35)第1章绪论§1.1研究的背景及意义§1.1.1课题研究背景在家庭影院、卡拉OK等音响系统中，实时显示音乐信号的频谱将为音响系统增不少色彩。
基于单片机的音频频谱显示器的研究与开发
1
音频信号，这个音频信号再经功放模块由扬声器驱动播放音乐。
同时，音频信号又作为输入信号接到另外一个单片机系统，此单片机系统主要是完成音频信号的模数转换，并由内部软件通过快速傅里叶算法，实现音频信号在频域上的分析，最后量化输出，由LED点阵显示出频谱变化。
三、研究指向内容与过程
（一）研究指向
1. 降低设计、制作以及成品的成本；
2. 提高音频频谱与音乐的匹配度；
3. 开发电子产品专业课程的实训资源，使实训资源与生活相结合，便于电子专业学生的
学习与研究。
（二）研究内容
1、硬件设计
单片机我们选用STC12C5A60S2。
STC 公司的单片机不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，其中STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASHROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。
而且STC 系列单片机支持串口程序烧写。
本设计系统由单片机模块、音频采集模块、滤波模块、按键模块、功放模块和显示模块六部分组成，如图1所示。
图1 音频频谱显示器的系统结构图
硬件电路图如图2所示，使用音频采集模块对输入的音频信号进行采样，经过FFT变换，然后取某些频率项的幅值，量化显示，驱动LED点阵，点亮相应的LED灯，其中显示模块即LED频谱显示电路。
图2左上方是滤波模块以及功放模块的设计，左下方是单片机模块的电路设计，右侧是LED频谱显示电路的设计。
其中，音频功放芯片选用8002，它是两个OTL电路桥式连接为BTL工作方式的音频功放。
2
3。
基于STM32单片机的音响品质测试仪
基于STM32单片机的音响品质测试仪目录1. 内容综述 (3)1.1 项目背景 (4)1.2 目标与意义 (5)1.3 系统组成与硬件设计 (6)2. 系统需求分析 (7)2.1 功能需求 (8)2.1.1 测试功能 (9)2.1.2 显示功能 (10)2.1.3 数据处理与存储功能 (11)2.2 性能需求 (12)2.2.1 实时性要求 (13)2.2.2 稳定性要求 (15)2.2.3 功耗要求 (15)2.3 硬件接口需求 (16)2.3.1 输入接口 (17)2.3.2 输出接口 (18)2.3.3 通信接口 (19)2.4 软件接口需求 (20)2.4.1 数据采集接口 (20)2.4.2 数据显示接口 (22)2.4.3 数据处理接口 (23)3. 系统设计与实现 (23)3.1 整体架构设计 (25)3.1.1 MCU选型与外围电路设计 (27)3.1.2 主要模块设计 (28)3.2 功能模块设计 (29)3.2.1 音频采集模块设计 (30)3.2.2 音频处理与分析模块设计 (31)3.2.3 数据显示模块设计 (32)3.2.4 数据存储与传输模块设计 (34)3.3 软件设计与实现 (35)3.3.1 主程序设计 (36)3.3.2 各功能模块驱动程序设计 (38)3.3.3 数据处理算法实现 (38)4. 系统测试与验证 (39)4.1 单元测试 (41)4.2 集成测试 (42)4.3 耐久性测试 (43)4.4 性能测试 (45)4.5 可靠性测试 (46)5. 结果分析与讨论 (48)5.1 测试数据分析结果讨论 (49)5.2 主要性能指标分析与讨论 (51)5.3 可能存在的问题及改进措施讨论 (53)6. 结论与展望 (54)6.1 主要工作总结 (55)6.2 进一步研究方向与展望 (56)6.3 对相关领域的意义与应用价值讨论 (57)1. 内容综述本报告将详细介绍一种基于32单片机的音响品质测试仪的设计、实现和应用。
音频信号分析仪设计报告
音频信号分析仪设计报告1．摘要：设计一个可对音频信号进行分析，并在LCD上显示其频率分量及功率的电路，电路还可对输入的失真信号进行失真度测量。
电路主要由扫描滤波网络，检波采集网络，以及失真度测量网络构成。
扫描滤波部分主要由MAX264开关电容滤波器电路和基于DDS扫描控制信号产生电路组成，完成对各个频率分量的提取；检波部分主要由有效值转换电路完成对频率分量功率的测量；失真度测量部分可自动跟踪输入信号的基频，通过谐波检测的方法，实现对失真度的测量，并可借助单片机测量其频率。
整个测量电路结构简单，可较好完成对音频信号的各项分析。
关键字：MAX264 AD9851 音频功率检测失真度2．总体方案设计2．1方案一动态信号分析法，即对信号进行时域采集，然后进行fourier变换，转换成频域信号。
特点是较快，有较高的分辩率和采样速率。
但受采样定理限制，无法推广到高频，且对采集网络要求较高，一般的单片机无法完成信号的频域变换算法。
2．2方案二并行滤波法，通过一组滤波器网络，且每个滤波器都有自己的检波器，其通频带应尽量窄，数目应应该有足够的密度概括整个测量频带。
优点是可实时显示和分析各个信号的频率分布及大小，缺点是其频率分量的个数取决于滤波器数目，当测量带宽增大，所需滤波器数目巨大。
2．3方案三外差法，采用超外差接收机的方式，利用混频器、中频放大器、中频滤波器、检波器等构成频谱分析电路。
其优点是工作频率范围宽、选择性好、灵敏度高。
但是由于本振是连续可调谐的，被分析的频谱是依次顺序取样，因此扫频外差式不能实时地检测和显示信号的频谱。
2．4方案四扫描滤波法，其采用中心频率可调的滤波器。
被测信号首先加至可调谐窄带滤波器，其中心频率自动反复在信号频率范围内扫描。
扫描滤波式频谱分析电路的优点是结构简单，价格低廉。
由于没有混频电路，省去了抑制假信号的问题。
我们选择这种方案，用DDS控制滤波器中心频率从而实现对不同频率分量的的提取并且利用滤波网络还可以实现失真度测量。
基于C8051F060单片机语音信号分析仪设计
• 162•基于C8051F060单片机语音信号分析仪设计东北石油大学电子科学学院 张梦璐 曹志民 韩 建【摘要】本文采用C8051F060单片机为控制核心，以快速傅里叶变换理论算法为基础，设计了音频信号分析仪。
该分析仪可实现实时分析音频信号频谱，输入信号的总功率，正弦信号失真度等参数并显示。
利用AD7520实现程控增益放大，扩大了输入信号动态范围，提高了输入信号灵敏度。
【关键词】音频信号分析；快速傅里叶变换；C8051F060；程控增益0 引言C8051F060单片机采用Silicon Lab 的专利CIP-51微控制器内核。
指令集兼容8051，与标准8051结构相比指令执行速度却有很大的提高[1]。
内部晶振25MHz ，指令吞吐量可选25MIPS ，片内集成了两个16位ADC ，采样速率可达到1Msps ，含有DMA 控制器接口，可自行存储从内部A ／D 传出的数据，不占用系统内部资源，且不用程序控制，大大地提高了运行的效率，因此非常适用于语音信号的分析。
1 总体方案设计该系统主要包括以C8051F060单片机为核心的主控制电路，射极跟随电路，程控增益放大电路，低通滤波电路，提升电路，SED1355图形液晶显示控制器控制的液晶显示电路，外扩RAM 及键盘输入等。
系统总体框图如图1所示。
系统采用NE5532构成前级射随电路，采用AD7520构成中级程控增益放大电路，末级低通滤波电路。
前级射随，中间程控放大，末级低通滤波电路构成单片机的外围电路。
AD7520经由单片机控制，利用单片机内部A/D 采样，通过控制放大器内部可控电阻网络来实现较宽的输入电压范围。
利用128K-8bit 高速静态外扩RAM 71V124，可实现大数据量的处理。
采用键盘显示芯片7279实现键盘的管理及控制。
图1 系统框图2 主要单元电路设计2.1 程控增益放大电路本文应用AD7520作为程控增益放大器，通过其内部可控电阻网络，通过单片机内部A.D 采样进行控制，实现可控增益调节，达到输入信号电压范围：20mV ～5V 。
基于ARM单片机LPC2148的音频分析仪设计
基于ARM单片机LPC2148的音频分析仪设计随着微和信息技术的迅速进展，以为代表的数字技术进展日新月异。
单片机因为具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵便、微型化和用法便利等优点，而广泛应用于各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业过程的实时控制和数据处理。
实际上，通过采纳单片机来举行控制，可以实现仪器仪表的数字化、智能化和微型化。
本文通过对照挑选采纳了LPC2148芯片解决计划来实现音频分析仪的设计。
1 系统分析与挑选1．1 信号处理原理分析在对音频信号举行分析的过程中，本文采纳了迅速傅立叶变换FFT算法，即首先对音频信号举行离散化处理，然后举行FFT运算，求出信号各个离散频率点的功率数值，并得到离散化的功率谱，最后在频域计算被测音频信号的总功率。
1．2 系统的挑选在处理器的挑选上，通常可以挑选8位、16位或者是32位的。
但是，因为在处理信号的过程中，通常会用到迅速傅立叶变换FFF算法，所以需要举行大量的浮点运算，而且一个浮点要占用四个字节，故在处理过程要占用大量的内存，同时浮点运算时光也很慢，所以采纳一般的8位MCU和16位MCU普通难以在一定的时光内完成运算。
综合考虑系统内存的大小以及运算速度，本系统选用Philips公司的32位单片机LPC2148。
该芯片具有32 KB的RAM，而时钟频率高达60 MHz，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。
在信号采样方式上，因为本系统所选用的32位MCU芯片LPC2148是60 MHz的单命令周期处理器，定时精度为16．7 ns，可以实现40．96 kHz的采样率，而且控制便利，成本廉价，所以，本设计由MCU举行挺直采样，而不采纳DDS芯片协作FIFO对信号举行采集。
2 系统设计2．1 总体设计在系统总体设计中，音频信号的采样过程十分关键。
当音频信号经过一个由运放和组成的匹配网络举行采样时，首先要由量程控制模块对信号举行处理，假如信号在100 mV～5 V的范围内挑选直通，也就是不对信号举行衰减或者放大控制，则可削减误差。
音频信号分析仪设计
音频信号分析仪设计学院：电子信息学院专业：电子信息工程姓名：学号：指导老师：摘要本音频信号分析仪由STM32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50mVpp-5Vpp，分辨力分为20Hz和100Hz两档。
测量功率精确度高达5%,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 STM32 音频信号分析AbstractThe audio signal analyzer is based on a STM32 microprocessor, through the AD converter for audio signal sampling, the continuous signal discrete, and then through the FFT fast Fourier transform computing, in the time domain and frequency domain of the various audio frequency signal weight and power, and other indicators for analysis and processing, and then through the high-resolution LCD display signals in the spectrum. The system can accurately measure the audio signal frequency range of 20 Hz-10KHz, the range of 50mVpp-5Vpp，resolution of 20 Hz and 100 Hz correspondent. Power measurement accuracy up to5%, and be able to accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution.Key words:FFT STM32 audio signal analyzing目录一、系统设计方案与论证 (1)1.1 系统总体设计 (1)1.2 CPU的选择 (1)1.3 前端信号调理电路 (2)1.4 AD转换模块 (2)1.5 LCD液晶显示模块 (2)二、硬件设计 (2)2.1 阻抗匹配电路 (2)2.2 峰值检测电路 (3)2.3 电压抬高电路 (4)2.4 可变增益放大电路 (4)2.5 低通滤波电路 (6)三、软件设计 (6)3.1 FFT程序 (7)3.2 功率谱测量方法 (8)3.3 周期性判断方法 (9)3.4 ADC采样程序 (9)3.5 LCD显示程序 (10)四、系统调试 (10)4.1 硬件调试 (10)4.2 软件调试 (13)4.3 总体调试 (14)五、测试结果 (15)六、总结 (16)附录 (16)参考文献 (20)一、系统设计方案与论证1.1 系统总体设计总体设计思路：信号经过电压跟随器后进入峰值检测然后经过两个电压比较器把输入信号分2段，然后分别进入不同的增益放大电路进行放大，经过电压抬升后进入ADC进行采样，然后利用STM32进行软件编程来进行FFT计算，判断是否为周期信号，求出输入信号的频率、功率、频谱等，然后在同步显示在液晶屏上。
毕业设计(论文)-基于单片机的语音播放系统分析与设计
摘要今天,数码语音技术已经发展成为一种时尚化智能化,人性化的代表技术，出现在工业、交通、军事、安全保卫、教育、娱乐、体育、通讯、广告、旅游、休闲、政治宣传等各个领域。
自然的语音、声音是稍纵即逝的,聪慧的人类想了很多办法来留存它们,这样可以在任何需要的时候重复播放出来。
这种保留原声的媒介曾有过钢丝、黑胶唱片、胶片、磁带、激光唱片等等，这些媒介都需要精密复杂的机械传动装置来配合，大多体积比较大,耗电大，控制不够灵活，有介质磨损,使用寿命有限。
现在,我们可以采用数码电子技术将纯的无任何机械的半导体集成电路(IC)去完成语声信号的存储和还原,这样一类经过存储而还原播放的语言声音，我们称为数码语声。
这类保存着数码语声的集成电路我们称为数码语声电路，或语声IC,有了这些语声IC声音就能保留和还原，而且能被选择性地反复播放，也就能让不会说话的各种物品发出声音或开口说话。
语声IC具有体积小、耗电少、可控制性能好、永无磨损、永久寿命等特点。
它是采用电子处理技术将复杂的语声信号“切分”成很多份，以最小的单位存储在自己内部的存储器里。
当需要时，再把这些小份拼接成完整的语声信号播放出来。
经由语声IC的处理、保存再回放出来的声音效果会比原声有一定的失真,现在还原声音最好的是激光唱片方式,它的声音取样频率是44.1KHZ,取样位数是24位，简单的说就是把一秒钟的语声信号横着切24份，再竖着切4万4千多份，累计把一秒钟的信号切成了约100万份分别存储在激光唱片上，等播放时再拼在一起还原出来，因此有较好的还原度。
而语声IC因为制造技术和成本问题，其能够使用的存储器容量比较小,大多数的语声IC都采用6KHZ5位采样，即大约把一秒种的信号切成3万份，因此还原效果就要差不少。
但随着技术的发展，这一差距正在减少。
语声IC的成本主要取决于内部电路的复杂程度和存储器的容量，在短时间语声长度的产品中,语声IC的性能价格比是非常高,有的种类的语声IC价格低到只有几分钱，这是任何其它数码语声还原设备无法比拟的。
基于单片机MSP430F5438的音频信号分析仪的设计
基于单片机MSP430F5438的音频信号分析仪的设计李建明【摘要】介绍了音频信号分析仪的硬件结构和软件设计.该设计在MATLAB计算、仿真的基础上,搭接了以单片机MSP430F5438为核心器件的控制电路,利用快速傅里叶变换(FFT)的方法对采集的音频信号进行频谱、功率值、正弦信号失真度等分析.该系统能够精确测量频率范围为20 Hz～ 10 kHz,其幅度范围为100 mVpp～5 Vpp的音频信号,频率分辨率达到20Hz,检测出的各频率分量的功率之和不小于总功率值的95％,单个频率功率误差小于7％,并能够准确地判断输入信号的周期性或非周期性,提供了较为理想的音频信号分析仪的解决方案.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2015(044)006【总页数】4页(P185-188)【关键词】单片机;快速傅里叶变换;频谱;失真度;周期性【作者】李建明【作者单位】南京师范大学,江苏南京210046【正文语种】中文【中图分类】TH89工程技术领域都会涉及要处理各种音频信号，如电机振动发出的声音，利用滚动轴承的音频信号对内圈、外圈、滚动体和保持架等轴承的4个重要部件进行故障诊断。
为了对音频信号进行处理，往往采用数字信号处理的方法进行编码、传输和存储。
但在实际的音频信号的数字化信号处理系统中，由于各种频率成分相差很远的信号混叠在一起，系统需具有相应的检测装置和多种采样率，并根据所传输的信号自动完成采样率的转换。
现介绍一种基于单片机MSP430F5438的音频信号分析仪的设计，对所测量的音频信号进行FFT(快速傅里叶变换)，把时域信号转变为频域信号，在此基础上可以进行各种分析[1-2]。
1.1 系统结构系统的硬件电路主要由信号源或信号叠加电路、电压跟随器、可编程增益放大器、低通滤波器和电平转换、MSP430F5438单片机、LCD显示和键盘等部分组成，系统结构框图如图1所示[3]。
1) 信号源或信号叠加电路信号叠加电路采用反向求和电路，将N路信号求和后输出。
基于单片机的音频频谱显示器设计说明[文摘][整理]
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目次1 绪论-----------------------------------------------------------12 系统功能-------------------------------------------------------13 系统设计-------------------------------------------------------23.1 主控单元----------------------------------------------------23.2 STC12C5A60S2 系列单片机单片机的A/D转换器-------------------10 3.3 STC12C5A60S2 系列单片机单片机的I/O口结构-------------------113.4 频谱显示单元-----------------------------------------------144 音频频谱显示相关问题-------------------------------------------164.1 频谱及频谱显示---------------------------------------------164.2 FFT运算规则及编程思想--------------------------------------175 总结-----------------------------------------------------------22参考文献-------------------------------------------------------24致-----------------------------------------------------------23附录A 源程序-------------------------------------------------25附录B 系统电路图---------------------------------------------321 绪论随着电子技术的进步发展在功率放大器的设计上功能也不断更新。
基于MSP430F1611单片机的音频信号分析
基于MSP430F1611单片机的音频信号分析时间：2011-05-04 10:51:07 来源：电子设计工程作者：李侠，周立文，李丹电子科技大学摘要：为了使音频信号分析仪小巧可靠，成本低廉，设计了以2片MSP430F1611单片机为核心的系统。
该系统将音频信号送入八阶巴特沃兹低通滤波器，对信号进行限幅放大、衰减、电平位移、缓冲，并利用一单片机负责对前级处理后的模拟信号进行采样，将采集得到的音频信号进行4 096点基2的FFT计算，并对信号加窗函数提高分辨率，另一单片机负责对信号的分析及控制显示设备。
此设计精确的测量了音频信号的功率谱、周期性、失真度指标，达到较高的频率分辨率，并能将测量结果通过红外遥控器显示在液晶屏上。
关键词：MSP430F1611；FFT；窗函数；频率分辨率；周期性；失真度；功率谱音频信号分析是语音识别的基础，现在大多数音频信号分析仪不仅体积大而且价格贵，某些特殊方面难以普及，而嵌入式系统分析仪具有小巧可靠的特点，所以开发基于特殊功能单片机的音频信号分析仪器具有很好的现实意义。
本系统将采用集成有μC／OS-Ⅱ操作系统的单片机，利用快速傅里叶变换并加窗函数的方法来实现对音频信号各项参数的分析。
1 系统总体方案信号首先通过8阶有源巴特沃兹滤波器进行抗混叠处理，然后通过放大衰减，电平搬移缓冲网络后，送单片机处理。
系统的2片MSP430F1611单片机，一片负责对模拟信号进行采样，并对采集得到的信号进行4096点的FFT计算，另一片负责控制显示设备以及完成对信号功率谱，周期性，失真度的分析。
系统的总体方框图如图1所示。
2 系统各硬件设计2．1 抗混叠滤波器的设计根据Nyquist定理，AD模数转换器以fs的频率采样输入信号时，频率f>fs ／2的信号将被关于fs／2的频率镜像到2fs-f处，带外杂散信号所引起的混叠现象如果没有经过适当的滤波处理，这些频率成分将会影响到带内数据采集的性能指标。
音频信号分析仪实验报告
音频信号分析仪实验报告音频信号分析仪（课程设计）组员：唐中源 1128401074黄君君 1128401104施以鹏 1128401105 指导老师：邓晶专业：通信工程完成时间： 2014年6月16日目录摘要 (4)一、方案比较论证 (5)1.1控制器选择 (5)1.2放大器设计方案 (5)1.3主控芯片的选择 (6)1.4 FFT计算方式选择 (6)二、硬件设计 (6)2.1 总体设计 (6)2.2 模块单元设计 (7)2.2.1 电压跟随 (7)2.2.2 放大模块 (8)2.2.3 峰值检测电路 (11)2.2.4 滤波模块 (12)2.2.5 电压抬高模块 (13)2.2.6 模拟开关、比较器模块 (14)三、软件设计 (14)3.1ADC采样程序设计 (15)3.2快速傅里叶变换程序设 (16)四、硬件调试及系统测试 (17)4.1 分模块焊接仿真 (17)4.2 模块组合联调 (19)五、总结 (21)参考文献 (22)附录 (22)摘要本文主要论述了基于STM32单片机的音频信号分析仪的具体实现。
设计的关键部分是快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT) 。
通过使用定点运算及FFT算法，该仪器每秒可完成115次1024点32位精度的FFT运算，可满足信号带宽20 Hz~10KHz、频率分辨力20 Hz的要求。
结果通过触屏LCD显示，显示出时域和频域波形并能进行两者切换，调整波形位置、大小，可以显示出测量的峰峰值、周期，可以判断输入是否为周期信号。
系统采用程控放大器PGA202KP，通过STM32内部的ADC检测输人信号幅度控制放大器放大倍数，实现了自动检测放大输入信号; 采用两种频率控制ADC交替采样完成信号幅和频率的准确测量。
AbstractThis article mainly elaborated based on the STM32 monolithic integrated circuit tonic train signaling analyzer concrete realization. This analyzer uses the FFT fast algorithmic analysis tonic 12 train signaling，the resultthrough the oscilloscope demonstration frequency spectrum and the LCD demonstration. And joins the adjustment function. System use program control amplifier PGA202, through the ADC examination input signal scope control amplifier enlargement factor, realizes the entire automatic detection enlargement input signal system also to use two kind of frequency controls ADC sampling to complete the signal scope and the frequency accurate survey in turn.关键字STM32 PGA202 频域分析FFT 失真度一、方案比较论证1.1控制器选择在数字信号处理中，常用的控制器有FPGA、DSP及STM32。
音频信号分析仪的设计
2012~2013学年第一学期《单片机原理与应用》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：***电气工程系2012年10月27日《单片机原理与应用》任务书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 (1)1.1 采样方法比较与选择 (1)1.2 处理器的比较与选择 (1)1.3 周期性判别与测量方法比较与选择 (3)第二章系统设计 (4)2.1 总体设计 (4)2.2 单元电路设计 (5)2.2.1 前级阻抗匹配和放大电路设计 (5)2.2.2 AD转换及控制模块电路设计 (7)2.2.3 功率谱测量 (7)第三章软件设计 (9)第四章系统测试 (10)4.1总功率测量（室温条件下） (10)4.2 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。
音频信号分析仪设计报告
音频信号分析仪设计报告学院：电子信息学院班级：12电子信息工程指导老师：***小组成员：122840112x 程博雅前言音频信号是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息载体。
根据声波的特征，可把音频信息分类为规则音频和不规则声音。
其中规则音频又可以分为语音、音乐和音效。
规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。
声音的三个要素是音调、音强和音色。
声波或正弦波有三个重要参数：频率ω0、幅度A n 和相位ψn ，这也就决定了音频信号的特征。
音频分析仪器是指既能够测量话筒、音频功放、扬声器等各类单一音频设备的各种电声参数，也能测试组合音响、调音台等组合音频设备的整体性能的分析类仪器。
目前市场上已经出现了可用于测量音频设备的各类分析仪器，例如失真度分析器、音频分析仪、频率计数器、交流电压表、直流电压表、音频示波器等。
这些基于各种功能电路的机架式硬件仪器使用简便、测量精度较高，目前己经获得了广泛的应用。
一般说来，一台功能较为齐全的音频分析仪器应能测量信号交直流电压、信号频率、谐波失真、信噪比等参数。
功能强大的音频分析仪器提供频谱分析、倍频程分析、声压级测量等功能。
早期专业的音频分析仪种类很少，在做音频测量时一般是利用万用电表、频率计、示波器及频谱仪等组合成一套音频测试系统。
这种测试系统中间环节多，各环节之间接口匹配较为困难，使用起来比较麻烦，测量结果往往也不精确。
近年来出现的音频分析仪器也与仪器的主流发展趋势一致，朝着高度集成化、智能化的方向发展，这些仪器集成了复杂音频信号发生装置、功率放大装置等，具备了一些初步的图形化分析功能，使用户很容易组建音频测量系统。
目录前言 (2)目录 (3)摘要 (5)第1章设计方案论证 (5)1.1语音信号采集模块 (5)1.2主控芯片的选择 (2)1.3程控放大器模块 (5)1.4抗混叠滤波器模块 (6)1.5模数转换模块 (6)1.6功率测量模块 (6)第2章系统设计 (7)2.1总体方案设计 (7)2.2硬件电路设计 (7)2.2.1驻极体放大电路模块 (7)2.2.2电压跟随电路模块 (8)2.2.3程控增益放大模块 (8)2.2.4电压抬升电路模块 (9)2.2.5抗混叠滤波模块 (10)2.3软件设计 (11)2.3.1 程序流程图 (12)2.3.2 ADC采样程序设计 (12)2.3.3 快速傅里叶变换模块设计 (13)2.3.4 功率、失真度计算 (13)2.3.5 周期性判断 (14)2.3.6 频谱显示 (15)2.3.7 按键控制模块 (15)第3章系统测试 (16)3.1硬件电路测试 (16)3.1.1驻极体放大电路模块 (16)3.1.2电压跟随电路模块 (16)3.1.3程控增益放大模块 (17)3.1.4电压抬升电路模块 (17)3.1.5抗混叠滤波模块 (18)3.2系统功能测试 (19)3.2.1确知信号测试 (19)3.2.2麦克风输入信号测试 (20)第4章总结 (21)参考文献 (21)附录 (21)附录1 元器件明细表附录2 仪器设备清单附录3 测试实物图附录4 程序主函数摘要：本系统基于快速傅立叶变换(FFT)算法，以单片机STM32F103ZE为控制与数据处理核心，结合必要的外围电路，实现对频率范围在20Hz~10KHz音频信号频率成分的分析。
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基于单片机的音频信号分析仪的设计王 平,江华丽,王 毅,郑孔华(福建师范大学物理与光电信息科技学院 福建福州 350007)摘 要:着重介绍音频信号分析仪的软硬件结构、特征及其工作原理,设计采用DSP IC30F 6014A 单片机为主控制器,基于A /D 转换和快速傅里叶变换方法对采集的音频信号进行频谱分析,能检测20Hz~10kH z,100mV ~5V 的音频输入信号,频率分辨率达到20H z,检测出的各频率分量的功率之和不小于总功率值的95%,单个频率功率误差小于10%,因此在嵌入式系统方面具有较好的应用价值。
关键词:音频信号;DSP;FF T ;DSP IC30F 6014A中图分类号:T H89 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2009)19-122-03Design of Audio Frequency Analyzer Based on Single Chip ComputerWA N G P ing ,JIA N G H uali,WA N G Y i,ZH EN G K o ng hua(Scho ol o f P hy si cs and Optoelect ronics T echno log y,F ujian No rm al University,Fuzho u,350007,China)Abstract :T he audio frequency analyzer c s so ftwa re and hardwar e str ucture,the character istics and the principle of wo rk are intr oduced.T his design uses DSPIC30F6014A mo no lit hic integ rat ed circuit as the contr oller,it bases on the A /D transfor -mat ion and FF T tr ansfo rmatio n to analyze the audio frequency signal,w hich can examine 20Hz~10kH z and 100mV ~5V audio frequency input sig na l,f requency dist ing uish can reach to 20H z,the var ious fr equency co mpo nent's sum of pow er is not smaller than the to tal perfo rmance 95%,the sing le fr equency pow er er ror is smaller than 10%,ther efor e it has g ood aspect in the embedded sy st em c s application.Keywords :audio frequency sig nal;DSP ;F FT ;DSPIC30F6014A收稿日期:2009-04-21基金项目:福建省科技厅/基于嵌入式的网络便携式终端的研究0(2007F5039)0 引 言目前,大多数音频信号处理仪不但体积大而且价格贵,在一些特殊方面难以普及使用,而嵌入式系统分析仪具有小巧可靠的特点,所以开发基于特殊功能单片机的音频分析仪器是语音识别的基础,具有很好的现实意义。
信号分析原理是将信号从时间域转换成频率域,使原始信号中不明显特性变得明显,便于分析处理。
对于音频信号来说,其主要特征参数为幅度谱、功率谱。
该音频信号分析仪的工作过程为:对音频信号限幅放大、模数转换、快速傅里叶变换(FFT ,时域到频域的转换)、特征值提取;从到音频信号的幅度谱,进而得到音频信号的功率谱[1]。
1 硬件设计/智能家居0(Smart H ome)也称智能住宅。
家居网络智能控制系统就是利用先进的计算机技术、通讯技术和嵌入式技术,将家中的各种设备通过家庭网络连接成系统。
整个智能家居系统的构成如图1所示。
在该系统中,对于某些家用电器设备的监测与控制需要进行音频信号的分析[2]。
图1 智能家居系统框图本设计选用Microchip 公司的DSPIC30F6014A 单片机为核心处理器,该芯片是MCU 技术与DSP 技术的结合,既包含了16位MCU 的控制功能,又融合了DSP 的高速运算技术,实际上就是数字微处理器、可方便地实现音频信号分析的各种功能。
音频系统框图如图2所示,包括电源模块、预制电路、A/D 转换模块、DSP 模块、LCD 显示模块等几个部分。
各模块以及接口的具体设计和实现功能如下:122自动化技术王 平等:基于单片机的音频信号分析仪的设计(1)电源模块:采用直流三端稳压电源设计,220V 交流电经降压、整流、滤波和稳压后,转换成系统需要的?5V 、?12V 电源电压。
(2)预制电路:为保证输入频宽在音频范围,前端直流偏置电路采用OP07放大器,第一级的加法器将输入信号与2.5V 电压值相加,第二级的反相器将信号转移到A/D 转换能处理的0~5V 范围。
因输入端508电阻的接地,故系统输入阻抗近似为508[3]。
(3)A/D 转换模块:因为音频信号的输入只有一路,所以在12位可配置的A/D 模块的16个模拟输入引脚中只用到AN6,初始化时,将该引脚配置为模拟输入引脚,同时,因为处理后的音频信号电压为0~5V,将A/D 模块的参考电压设置为0V,5V 。
转换输出速率高达200KSPS [4]。
(4)DSP 模块:该数字微处理器是改良的哈佛结构设计,可实时分析,具有很高的分辨率。
通过M icrochip 公司的M PLAB C30C 编译器调用DSP 模块,该编译器中提供49个DSP 处理函数,可以完成全部的数字信号处理[5]。
(5)LCD 显示模块:用于直观显示频谱波形。
(6)ICD2调试接口:选用M icrochip 公司的ICD2在线调试器,为此预留了ICD2调试接口[6]。
(7)RC 振荡器:此单片机可工作在外部时钟输入、外部RC 输入、内部快速RC 振荡器、内部低功耗(RC)振荡器四种模式,以及在低功耗时使用的后分频器。
本设计采用内部快速RC 振荡器,它能提供7.37MH z 的时钟,由于要实现对音频信号实时处理,所以没有用到后分频器[7]。
图2 音频系统框图2 软件设计音频系统主循环如图3所示。
(1)经过采样、A/D 转换完成后,清除A/D 使能标志,得到离散化的数字信号。
(2)调用周期判定函数,实现对信号周期性的分析。
(3)调用FFT 变换函数,对离散信号的快速傅里叶变换,实现时域到频域的变换。
(4)显示输入信号的频谱。
(5)计算信号的功率谱及计算最大功率。
(6)显示信号的功率谱及最大功率。
图3 主程序流程图2.1 A/D 采样理论分析:因12位的A/D 模块,故量化单位为1/212,因频率分辨率$f =100H z 、FFT 的子样本点数N =512,故采样频率f s =51200H z(f s [N $f )、采样周期T s =1/51200s (采样周期=采样时间+转换时间)。
因振荡频率为7.37MH z,故指令周期T CY =(1/7.37)@4=0.5L s 。
实际控制:转换时间为14个T AD (为正确A/D 转换,T A D =333.33ns)。
所以,配置A/D 自动采样时间为6个T AD ,A/D 转换时钟为16T CY ,则A/D 转换总时间为0.092m s,采样频率为10.87kH z 。
A/D 模块工作在系统时钟源、自动转换模式,每完成一次转换进入一次中断。
在程序中应该定义一个采样点数的结构体,用于存放A/D 采集到的数据,每个结构体内包括一个实部和一个虚部。
在中断服务子程序中,由A/D 模块采集到的数字量存储到结构体的实部,共进行采样点数次转换,中断服务子程序的流程如图4所示。
图4 A /D 中断服务子程序流程图2.2 周期判定音频信号的频率分量不但多,而且不具周期性。
测1235现代电子技术62009年第19期总第306期þ测试#测量#自动化ü量周期可以在时域也可以在频域,但是由于频域测量周期性时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的信号就无法正确地分析其周期性。
因此,对于信号的周期性判定,应该在对信号进行FFT 变换之前,直接调用周期判断函数[8]。
周期性判定子程序流程图如图5所示。
图5 周期性判定子函数流程图2.3 FFT 变换由于直接傅里叶变换的计算量与子样本点数N 的平方成正比,在N 较大时,计算量太大,不适合在资源有限的嵌入式系统中实现。
所以最常用基2FFT 算法,其主要思想是将N 点直接傅里叶变换分解成多个较短的直接傅里叶变换,再利用旋转因子的周期性、对称性,在很大程度上节省了系统资源。
MPLAB C30C 编译器内部提供了几乎全部的数字信号处理软件工具,通过DSPIC30F 系列微处理器[9],只需调用M icrochip 公司提供的库函数,即可方便的实现数字信号处理。
对于基2FFT 变换来说,其软件流程图如图6所示。
图6 FF T 变换软件流程图2.4 特征值提取对频域分析起决定作用的量包括采样频率、采样点数。
通过FFT [10]变换,得到离散化的幅度谱X (k),先将离散化的幅度值平方,再除于子样本点数N,就可得到该频率点对应的功率值(功率=X (k)*X (k)/N )。
3 结 语系统的主要性能指标为:输入阻抗508;输入信号电压范围(峰-峰值)100mV ~5V;输入信号包含的频率成分范围为200H z~10kH z;频率分辨力为100Hz (可正确测量被测信号中,频差不小于100H z 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,可以在更多领域进一步推广和应用,如环境监测、语音识别、智能系统的控制等。
参 考 文 献[1]胡航.语音信号处理[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000.[2]王平,程明传.嵌入式无线家庭网关的设计与实现[J].微计算机应用,2008,24(29):53-56.[3]夏宇闻.V erilo g 数字系统设计教程[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2003.[4]谢自美.电子线路设计#实验#测试[M ].2版.武汉:华中科技大学出版社,2000.[5]刘文波,张弓.混沌信号中隐含周期信号的一种识别方法[J].雷达与对抗,2001(1):46-49.[6]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M ].北京:高等教育出版社,2006.[7]何立民.单片机高级教程[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2001.[8]丁玉美,高西全.数字信号处理[M ].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2006.[9]代红权,陈海燕.基于M at lab 的大学物理实验数据处理系统[J].重庆工学院学报:自然科学版,2007,21(3):32-34.[10]梅海清,冯毅.数字变频FF T 在频谱分析中的应用[J].石油化工自动化,2003(1):57-58.作者简介 王 平 男,高级工程师,硕士生导师,省电子学会理事。