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認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：徐**（實(shí)名認(rèn)證）

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IP屬地：湖北 上傳時(shí)間：2022-06-01 格式：DOC 頁數(shù)：18 大?。?91.38KB 積分：30 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、johnson在此處鍵入文檔摘要。摘要通常為文檔內(nèi)容的簡(jiǎn)短概括。在此處鍵入文檔摘要。摘要通常為文檔內(nèi)容的簡(jiǎn)短概括。題目名稱：數(shù)控直流電流源（F鍵入文檔副標(biāo)題題目名稱：音頻信號(hào)分析儀（A題）華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 參賽隊(duì)員：陳旭 張洋 林士明 摘要： 本音頻信號(hào)分析儀由32位MCU為主控制器，通過AD轉(zhuǎn)換，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號(hào)離散化，然后通過FFT快速傅氏變換運(yùn)算，在時(shí)域和頻域?qū)σ纛l信號(hào)各個(gè)頻率分量以及功率等指標(biāo)進(jìn)行分析和處理，然后通過高分辨率的LCD對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)能夠精確測(cè)量的音頻信號(hào)頻率范圍為20Hz-10KHz，其幅度范圍為5mVpp-5Vpp，分辨力分為20H

2、z和100Hz兩檔。測(cè)量功率精確度高達(dá)1%,并且能夠準(zhǔn)確的測(cè)量周期信號(hào)的周期，是理想的音頻信號(hào)分析儀的解決方案。關(guān)鍵詞： FFT MCU 頻譜 功率Abstract: The audio signal analyzer is based on a 32-bit MCU controller, through the AD converter for audio signal sampling, the continuous signal discrete, and then through the FFT fast Fourier transform computing, in the tim

3、e 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 ran

4、ge of 5-5Vpp mVpp, resolution of 20 Hz and 100 Hz correspondent. Power measurement accuracy up to 1%, and be able to accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution.Keyword: FFT MCU Spectrum Power1 方案論證與比較31.1 采樣方法方案論證31.2 處理器的選擇方案論證31.3 周期性判別與測(cè)量方法方案論證32 系統(tǒng)

5、設(shè)計(jì)42.1 總體設(shè)計(jì)42.2 單元電路設(shè)計(jì)52.2.1 前級(jí)阻抗匹配和放大電路設(shè)計(jì)52.2.2 AD轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設(shè)計(jì)62.2.3 功率譜測(cè)量單元電路設(shè)計(jì)63 軟件設(shè)計(jì)74系統(tǒng)測(cè)試85 結(jié)論9參考文獻(xiàn)：9附錄：9附1：元器件明細(xì)表：9附2：儀器設(shè)備清單9附3：電路圖圖紙10附4：程序清單111 方案論證與比較1.1 采樣方法比較與選擇 方案一、用DDS芯片配合FIFO對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，通過DDS集成芯片產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定度和精度相當(dāng)高的信號(hào)作為FIFO的時(shí)鐘，然后由FIFO對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，最后送MCU處理。 方案二、直接由32位MCU的定時(shí)中斷進(jìn)行信號(hào)的采集，然后對(duì)信號(hào)分析

6、。 由于32位MCU -LPC2148是60M的單指令周期處理器，所以其定時(shí)精確度為16.7ns,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以實(shí)現(xiàn)我們的40.96KHz的采樣率，而且控制方便成本便宜，所以我們選擇由MCU直接采樣。1.2 處理器的比較與選擇LCD 系統(tǒng)方案一：基于ARMST710的專用芯片的體統(tǒng)方案?；贏RM ST710音頻頻譜分析儀系統(tǒng)原理圖如下 信號(hào)輸入LCD接口ADCDACSRAMMCU ARMSTTIOFLASHSDCard接口USB接口SDCard該方案采用DSP專用芯片ARM ST710進(jìn)行控制和FFT計(jì)算，速度快，且具有波形存儲(chǔ)和處理后的波形可以重放功能。還配有輸出接口與示波器銷量?？梢詮臅r(shí)域

7、和頻域觀察波形，非常直觀、實(shí)用。系統(tǒng)方案四：基于單片機(jī)C8051F060+FPGA構(gòu)成信號(hào)分析儀，該系統(tǒng)原理方框圖如圖所示。單片機(jī)C8051F060獨(dú)立完成4096點(diǎn)FFT運(yùn)算和信號(hào)的失真度分析。雖然這種方案在速度上不及采用專用DPS芯片快，但采用優(yōu)化的FFT，并將優(yōu)化后的FFT再單片機(jī)內(nèi)做實(shí)驗(yàn)，利用外擴(kuò)的128KB RAM運(yùn)算4096點(diǎn)FFT計(jì)算幅度譜，利用FPGA進(jìn)行測(cè)頻和控制。其運(yùn)算時(shí)間也不超過4S。能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。FPGA點(diǎn)陣液晶字符液晶測(cè)頻電路信號(hào)預(yù)處理128KB RAMC8051F060PC鍵盤DMAADC0信號(hào)輸入 整形信號(hào)最終方案選擇：由于快速傅立葉變換FFT算法設(shè)計(jì)大量的浮

8、點(diǎn)運(yùn)算，由于一個(gè)浮點(diǎn)占用四個(gè)字節(jié)，所以要占用大量的內(nèi)存，同時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)間很慢，所以采用普通的8位MCU一般難以在一定的時(shí)間內(nèi)完成運(yùn)算，所以綜合內(nèi)存的大小以及運(yùn)算速度，我們采用Philips 的32位的單片機(jī)LPC2148，它擁有32K的RAM，并且時(shí)鐘頻率高達(dá)60M，所以對(duì)于浮點(diǎn)運(yùn)算不論是在速度上還是在內(nèi)存上都能夠很快的處理。1.3 周期性判別與測(cè)量方法比較與選擇 對(duì)于普通的音頻信號(hào)，頻率分量一般較多，它不具有周期性。測(cè)量周期可以在時(shí)域測(cè)量也可以在頻域測(cè)量，但是由于頻域測(cè)量周期性要求某些頻率點(diǎn)具有由規(guī)律的零點(diǎn)或接近零點(diǎn)出現(xiàn)，所以對(duì)于較為復(fù)雜的，頻率分量較多且功率分布較均勻且低信號(hào)就無法正確的分

9、析其周期性。 而在時(shí)域分析信號(hào)，我們可以先對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后假定具有周期性，然后測(cè)出頻率，把采樣的信號(hào)進(jìn)行周期均值法和定點(diǎn)分析法的分析后即可以判別出其周期性。 綜上，我們選擇信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行周期性分析和周期性測(cè)量。對(duì)于一般的音頻信號(hào)，其時(shí)域變化是不規(guī)則的，所以沒有周期性。而對(duì)于單頻信號(hào)或者由多個(gè)具有最小公倍數(shù)的頻率組合的多頻信號(hào)具有周期性。這樣我們可以在頻域?qū)π盘?hào)的頻譜進(jìn)行定量分析，從而得出其周期性。而我們通過先假設(shè)信號(hào)是周期的，然后算出頻率值，然后在用此頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，采取連續(xù)兩個(gè)周期的信號(hào)，對(duì)其值進(jìn)行逐次比較和平均比較，若相差太遠(yuǎn)，則認(rèn)為不是周期信號(hào)，若相差不遠(yuǎn)（約5%），則可以認(rèn)為是

10、周期信號(hào)。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)音頻信號(hào)經(jīng)過一個(gè)由運(yùn)放和電阻組成的50 Ohm阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后，經(jīng)由量程控制模塊進(jìn)行處理，若是一般的100mV-5V的電壓，我們選擇直通，也就是說信號(hào)沒有衰減或者放大，但是若信號(hào)太小，12位的A/D轉(zhuǎn)換器在2.5V參考電壓的條件下的最小分辨力為1mV左右，所以如果選擇直通的話其離散化處理的誤差將會(huì)很大，所以若是采集到信號(hào)后發(fā)現(xiàn)其值太小，在20mV-250mV之間的話，我們可以將其認(rèn)定為小信號(hào)，從而選擇信號(hào)經(jīng)過20倍增益的放大器后再進(jìn)行A/D采樣。經(jīng)過12位A/D轉(zhuǎn)換器ADS7819轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)由32位MCU進(jìn)行FFT變換和處理，分析其頻譜特性和各個(gè)頻率

11、點(diǎn)的功率值，然后將這些值送由Atmega16進(jìn)行顯示。信號(hào)由32 位MCU分析后判斷其周期性，然后由Atmegal6進(jìn)行測(cè)量，然后進(jìn)行顯示?？傮w設(shè)計(jì)框架圖2.2 單元電路設(shè)計(jì)2.2.1 前級(jí)阻抗匹配和放大電路設(shè)計(jì) 信號(hào)輸入后通過R5,R6兩個(gè)100Ohm的電阻和一個(gè)高精度儀表運(yùn)放AD620實(shí)現(xiàn)跟隨作用，由于理想運(yùn)放的輸入阻抗為無窮大，所以輸入阻抗即為：R5/R6=50Ohm,阻抗匹配后的通過繼電器控制是對(duì)信號(hào)直接送給AD轉(zhuǎn)換還是放大20倍后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。 在這道題目里，需要檢測(cè)各頻率分量及其功率，并且要測(cè)量正弦信號(hào)的失真度，這就要求在對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，要盡可能少的引入信號(hào)的放大失真。正弦信

12、號(hào)的理論計(jì)算失真度為零，對(duì)引入的信號(hào)失真非常靈敏，所以對(duì)信號(hào)的放大，運(yùn)放的選擇是個(gè)重點(diǎn)。我們選擇的運(yùn)放是TI公司的低噪聲、低失真的儀表放大器INA217，其失真度在頻率為1KHz，增益為20dB(100倍放大)時(shí)僅為0.004%，其內(nèi)部原理圖如下圖所示。其中放大器A1的輸出電壓計(jì)算公式為OUT1=1+（R1/RG）*VIN+同理， OUT2=1+（R2/RG）*VIN-R3、R4、R5、R6及A3構(gòu)成減法器，最后得到輸出公式VOUT=（VIN2-VIN1）*1+（R1+R2）/RGR1=R2=5K,取RG=526，從而放大倍數(shù)為20。2.2.2 AD轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設(shè)計(jì) 采用12位AD轉(zhuǎn)換器

13、ADS7819進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送32位控制器進(jìn)行處理。2.2.3 功率譜測(cè)量 功率譜測(cè)量主要通過對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行離散化處理，通過FFT運(yùn)算，求出信號(hào)各個(gè)離散頻率點(diǎn)的功率值，然后得到離散化的功率譜。由于題目要求頻率分辨力為100Hz和20Hz兩個(gè)檔，這說明在進(jìn)行FFT運(yùn)算前必須通過調(diào)整采樣頻率(fK)和采樣的點(diǎn)數(shù)(N),使其基波頻率f為100Hz和20Hz。根據(jù)頻率分辨率與采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系： f=fk/N;可以得知， fk=N*f;又根據(jù)采樣定理，采樣頻率fk必須不小于信號(hào)頻率fm的2倍，即： fk>=2fm;題目要求的最大頻率為10KHz，所以采樣頻率必須大于20KHz，考慮

14、到FFT運(yùn)算在2的次數(shù)的點(diǎn)數(shù)時(shí)的效率較高，所以我們?cè)?0Hz檔時(shí)選擇40.96KHz采樣率，采集2048個(gè)點(diǎn)，而在100檔時(shí)我們選擇51.2KHz采樣率，采集512個(gè)點(diǎn)。通過FFT 分析出不同的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率后，就可以畫出其功率譜，并可以在頻域計(jì)算其總功率。 3 軟件設(shè)計(jì)主控制芯片為L(zhǎng)PC2148,測(cè)量周期為Atmega16實(shí)現(xiàn),由于處理器速度較快,所以采用c語言編程方便簡(jiǎn)單.軟件流程圖如下： 主流程圖 周期性分析和測(cè)量流程圖4 系統(tǒng)測(cè)試4.1 總功率測(cè)量（室溫條件下） 輸入信號(hào) 頻率 幅度 測(cè)量時(shí)域總功率(w)測(cè)量頻域總功率(w) 理論值估算誤差 正弦波 100Hz 1 Vpp0.127

15、0.129 0.125 1.2% 1KH 1 Vpp 0.1260.129 0.125 1.3%音頻信號(hào) 20Hz-10KHz20mVpp-5Vpp 0.783 0.761 X 5% 1.803 1.777 X 5% 結(jié)果分析： 由于實(shí)驗(yàn)室提供的能夠模仿音頻信號(hào)的且能方便測(cè)量的信號(hào)只有正弦信號(hào)，所以我們用一款比較差點(diǎn)的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，然后進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)誤差不達(dá)，在+-5%以內(nèi)。我們以音頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由于其實(shí)際值無法測(cè)量，所以我們只能根據(jù)時(shí)域和頻域以及估計(jì)其誤差，都在5%以內(nèi)。4.2 單個(gè)頻率分量測(cè)量（室溫條件下） 輸入信號(hào)頻率幅度最大功率頻點(diǎn)最大功率頻點(diǎn)功率次大功率頻點(diǎn)次大功率頻點(diǎn)功率正

16、弦波500Hz100mVpp 500Hz1.20mw 520Hz0.04mW正弦波5KHz1Vpp 5KHz 120mw 5.02KHz3.56mw音頻信號(hào)20Hz-10K X 880Hz 23mw 600Hz 4.3mw結(jié)果分析：我們首先以理論上單一頻率的正弦波為輸入信號(hào)，在理想狀況下，其頻譜只在正弦波頻率上有值，而由于有干擾，所以在其他頻點(diǎn)也有很小的功率。音頻信號(hào)由于有多個(gè)頻點(diǎn)，所以沒有一定的規(guī)律性。由于音頻信號(hào)波動(dòng)較大，沒有一定的規(guī)律，且實(shí)驗(yàn)室沒有專門配置測(cè)量?jī)x器，所以我們只好以正弦波和三角波作為信號(hào)進(jìn)行定量分析測(cè)量，以及對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行定性的分析和測(cè)量。我們發(fā)現(xiàn)其數(shù)字和用電腦模擬的結(jié)果符

17、合得很近。5 結(jié)論由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達(dá)到了題目要求的各項(xiàng)指標(biāo)。參考文獻(xiàn)：信號(hào)與系統(tǒng)，ALAN V.OPPENHEIM著，西安：西安交通大學(xué)出版社，1997年；數(shù)字圖像處理學(xué)，元秋奇著，北京：電子工業(yè)出版社，2000年；模擬電子線路基礎(chǔ)，吳運(yùn)昌著，廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004年；數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，閻石著，北京：高等教育出版社，1997年；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，張曉麗等著，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002年；ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程，馬忠梅等著，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004年；單片機(jī)原理及應(yīng)用，李建忠著，西安：西安電子科技大學(xué)

18、，2002年；附錄：附1：元器件明細(xì)表：1、 LPC2148 2、 ATMEGA163、 AD6204、 ADS78195、 液晶320*240附2：儀器設(shè)備清單1、 低頻信號(hào)發(fā)生器 2、 數(shù)字萬用表 3、 失真度測(cè)量?jī)x4、 數(shù)字示波器5、 穩(wěn)壓電源附3：電路圖圖紙 電源系統(tǒng) 前級(jí)放大和AD轉(zhuǎn)換Atmega16控制板附4：程序清單/*/ FFT轉(zhuǎn)換函數(shù)，dataR:實(shí)部，datai:虛部，/*/void FFT(float *dataR,float *dataI,int n)int i,L,j,k,b,p,xx,qq;int x11=0;float TR,TI,temp;float QQ;/位

19、倒置/for(i=0;i<countn;i+) xx=0; for(j=0;j<n;j+) xj=0; for(j=0;j<n;j+) xj=(i/countj)&0x01; for(j=0;j<n;j+) xx=xx+xj*countn-j-1; dataIxx=dataRi;for(i=0;i<countn;i+) dataRi=dataIi; dataIi=0; /蝶形運(yùn)算/for(L=1;L<=n;L+) b=1; i=L-1;while(i>0) b=b*2; i-; for(j=0;j<=b-1;j+) p=1; i=n-L;

20、 while(i>0) p=p*2; i-;p=p*j;for(k=j;k<countn;k=k+2*b) TR=dataRk; TI=dataIk; temp=dataRk+b; QQ=2*pi*p/countn;qq=p*count11-n;dataRk=dataRk+dataRk+b*cos_tabqq+dataIk+b*sin_tabqq;dataIk=dataIk-dataRk+b*sin_tabqq+dataIk+b*cos_tabqq;dataRk+b=TR-dataRk+b*cos_tabqq-dataIk+b*sin_tabqq; /查表運(yùn)算dataIk+b=TI

21、+temp*sin_tabqq-dataIk+b*cos_tabqq; for(i=0;i<countn;i+) wi=sqrt(dataRi*dataRi+dataIi*dataIi);wi=wi/countn-1;w0=w0/2; /回放數(shù)據(jù)/void viewdata(void)unsigned int key,page,i;page=0; LCD_PenColor=0x1F; /紅色LCD_WriteChineseString(font5,2,40,0);LCD_PenColor=0xFC; /藍(lán)色while(1)key=getkey();if(key!=0xFF) if(key

22、=4) SystemState=fft_mode;return; /返回 if(key=2) LCD_ClearScreen(); LCD_WriteChineseString(font3,2,10,0);LCD_WriteChineseString(font4,2,60,0); i=page*4+1; p3510(Rei,0,15); print3510(Imi*mode,50,15); p3510(Rei+1,0,26); print3510(Imi+1*mode,50,25); p3510(Rei+2,0,38); print3510(Imi+2*mode,50,35); p3510(R

23、ei+3,0,50); print3510(Imi+3*mode,50,50); if(page>0) page-; delay_nms(8000000); /上翻頁 if(key=1) LCD_ClearScreen(); LCD_WriteChineseString(font3,2,10,0);LCD_WriteChineseString(font4,2,60,0); i=page*4+1; p3510(Rei,0,15); print3510(Imi*mode,50,15); p3510(Rei+1,0,26); print3510(Imi+1*mode,50,25); p3510

24、(Rei+2,0,38); print3510(Imi+2*mode,50,35); p3510(Rei+3,0,50); print3510(Imi+3*mode,50,50); page+;if(page>=SampleNum/4) page=0; delay_nms(8000000); /下翻頁 /失真度計(jì)算/void distortion(void)LCD_ClearScreen(); LCD_WriteChineseString(font6,3,10,20);unsigned int key;int fr;while(1) /獲取頻率/log_2_N=11;SampleNum=

25、SampleTablog_2_N;reset_timer(0);init_timer0(40960);New_Flag=0;enable_timer(0);/等待采樣完成/while(!FFT_Flag); disable_timer(0); /關(guān)定時(shí)器0/FFT運(yùn)算/FFT(Re,Im,log_2_N);/頻域功率/for(i=1;i<SampleNum/2;i+) Rei=Rei*Rei;Rei=Rei/2;/總功率/Fp=0;for(i=1;i<SampleNum/2;i+) Fp+=Rei;sort(&Re1,&Im1,SampleNum/2-1); fr=1000000/fre;if(Tflag) LCD_WriteChineseString(font7,1,50,20);LCD_WriteEnglishString(" ",0,38);print3510(fr,10,38);LCD_WriteEnglishString("US",58,38);else LCD_WriteEnglishString(" ",0,38);LCD_WriteChineseString(font8,1,50,20);/按鍵掃描/key=getkey();if(ke