音频信号分析仪.doc

音频信号分析仪

指导老师：邓晶

年纪专业：11信息工程

成员： 刘丽梅（1128401039）

东飞（1128401014）

罗兰（1128401128）

日期：2014年6月
23 / 23

摘 要：本音频信号分析仪基于快速傅里叶变换的原理，以32位CPU STM32构成的最小系统为控制核心，由电压跟随、程控放大、峰值检测、抗混叠滤波等模块组成。本音频信号分析仪由STM32控制，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运算，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50Hz-10KHz，其幅度范围为5mVpp-5Vpp，分辨力为50Hz。
关键词：FFT 嵌入式系统 前级信号处理 功率谱

Abstract: This audio signal analyzer based on the principle of fast Fourier transform, the minimum system consisting of STM32 embedded system as control core, followed by the voltage, program-controlled amplifier, peak detection, such as anti aliasing filter modules. This audio signal analyzer controlled by an embedded system, through the AD conversion, the audio signal sampling, the continuous signal discretization, then through FFT arithmetic, each frequency component and the power index in the audio signal analysis and processing, and then through high resolution display LCD frequency spectrum of the signal and the characteristics of. The system can accurately measure the audio signal frequency range of 50 -10K HZ, its amplitude range is 5 mVpp- 5 V pp ,resolution of 50 Hz.

目 录
摘要 2
目录 3
引言 4
1 系统方案比较与选择 3
1.1 主控芯片的选择 3
1．2 采样方法比较与选择 4
1．3 信号功率的计算 4
1. 4 系统总体方案 4
2 硬件设计 5
2．1 程控放大电路设计 5
2．2 峰值检测电路设计 6
2．3 总硬件电路 7
3 软件调试 9
4．1软件总体流程图设计 9
4．2程控放大程序设计 10
4．3 FFT程序 11
4. 4功率计算 11
4.5 周期计算 12
4 系统调试 12
5．1 总硬件焊接图 12
5．2电压跟随电路 7
5.3程控放大电路 8
5.4峰值检测电路 8
5.5电压抬升电路 18
5．6 液晶屏显示图 13
5．7 测试结果 14
5 总结 15
参考文献 15
附录1：元器件明细表和仪器设备清单 15
附录2：FFT程序 15
附录3：周期计算程序 17
附录4：主程序 18

引言
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。 
美国Audio Precision公司是一家全球最大的音频测试仪器制造商；创立于1984年，其音频测试仪器System Two/ AP2700系列是目前音频测试业界的标准测试仪器，为Dobly, DTS，等多家研究机构采用，是miscrosoft DTM认证的指定仪器。 
RS公司的“精灵系列”音频分析仪UP300&UP350也是这类仪器的典型代表，可测量双向信道串扰，可产生双音信号，用于调制失真分析和差频失真测量，且测量范围宽，精度较，UP350还可分析数字音频信号，采样率高达192KHz，可用于数字音频设备测量和模拟/数字混合接口的相关应用。
音频信号分析仪利用频谱分析原理来分析被测信号的频率、频谱及波形。常用的频谱分析方法有：扫频法、数字滤波法、FFT法。这里提出一种基于FFT方法的音频信号分析仪设计方案，通过快速傅里叶变换（FFT）把被测的音频信号由时域信号转换为频域信号，将其分解成分立的频率分量，在此基础上对其进行各种分析，达到与传统频谱分析仪同样效果。该系统设计可应用于音频制作、信号分析等领域，具有一定的科学价值和实用价值。
1 系统方案比较与选择
1.1 主控芯片的选择
本系统采用基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103VBT6作为主控芯片，它具有非常丰富的片内资源，例如实时时钟(RTC)、定时器(TIM)、通用I／O接口(GPIO)、DMA控制器、A／D转换器、USART接口、I2C接口、SPI接口和CAN总线接口还包括20 kB的片内SRAM，128 KB的片内FLASH以及一个支持USB 2．O规范的全速USB外围设备等，它是整个系统的主控单元，协调其它模块完成数据采集、存储、处理控制、传输等多项功能。
它的引脚图如图1-1所示：

图1-1 STM32F103VB引脚图

1.2 采样方法比较与选择
方案一：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。
方案二：利用STM32对数据进行采集，然后利用STM32自带的12位AD转换器进行转换后送入内部，然后由STM32对数据进行处理。
方案一能采集电压值为负的信号，方案二易于控制采样频率，硬件简单，综合考虑以及使硬件简单化，所以我们选择了方案二。
1.3 信号功率的计算
方案一：通过测真有效值的方式实现，应用普通的真有效值检测芯片可以方便的测出信号在一定时间段内的总功率。但对单个频点处的功率测量无能为力。
方案二：在用FFT得到信号的频谱后根据帕斯瓦尔定律可以很方便的得到信号各频率分量的功率及信号的总功率。
因为本设计中我们可以通过FFT得到信号的频谱，因此方案二最适合本设计。
1.4 系统总体方案
根据以上的方案论证与比较，先将输入信号通过电压跟随电路，一路送给峰值检测电路，然后一路送给程控放大模块，调理到ADC适合采样的输入范围内，经过抗混叠滤波后进行电压抬升，送人STM32内部的AD进行采样。根据频率分辨力来确定采样率，利用STM32快速数据处理能力，在其中完成1024点的FFT运算计算该信号的功率谱，并能实时显示信号总功率及主要频率成分功率。其中，对于信号周期性的判断与测量，我们采用自相关的方法，大大提高了判断的准确性。
最后系统总体实现方案如图1-3所示：
信号输入
内部
A
D
C
峰值检测

电压跟随

抗混叠滤波
电压抬升
程控放大

LCD显示
STM32

键盘

图1-4 系统总体方案
2、硬件设计
2.1 程控放大电路
程控放大电路电路图如图2-1-1所示。该电路主要由2个DAC0832和1个OP07组成。令R2=R1，输出与输入的关系是Vo/Vi=-D1/D2.理论上它可以实现使信号最大放大255倍和最大缩小255倍。图2-1-2，2-1-3，2-1-4为它的仿真结果（上面的信号为输入信号，下面的信号为输出信号），分别为放大21倍，放大1倍和缩小0.6倍。

图2-1-1程控放大电路电路图

图2-1-2 20倍放大仿真图

图2-1-3倍放大仿真图

图2-1-4 0.6倍放大仿真图
2.2 峰值检测电路
峰值检测电路图如图2-2-1所示。它的工作原理如下：
初始状态电容电压Uc=0时，当输入电压Ui>0时，由于运放U1A充当跟随器,故U2=Ui。二极管D1,D2导通，电压Ui电容C充电，直至电容C上的电压Uc等于Ui的峰值。
只要Ui<=Uc，二极管D1,D2截止，电容电压Uc保持不变。只有输入电压Ui>Uc时，二极管才导通，电容C进行充电。运放U1B也充当跟随器的作用，使峰值检测与后面电路隔离。
它的仿真结果如图2-2-2所示。

图 2-2-1 峰值检测电路图

图2-2-2 峰值检测电路仿真图
2.3 总硬件电路
如图2-3-1所示为总硬件电路，输入信号首先经过电阻匹配和电压跟随电路，实现输入阻抗50欧姆和输入信号与后级电路隔离，然后经过放大电路，通过主板来控制放大倍数，接着接入抗混叠滤波电路，实现输入信号截止频率为10KHz，最后接入电压抬升电路，使信号电压不为负值。
如图2-3-2所示为STM32与外围电路的连接图

图2-3-1 总硬件电路
PC1

PC4

PC5

3、硬件调试（1为输入（上面），2为输出（下面））
3.1 电压跟随电路
如图3-1所示，当输入信号为幅值Vi=1.24V，频率为F=1.00KHz时，
输出信号为Vo=1.28V，误差率：S1=（（1.28-1.24）/1.24）*100%=32%

图3-1 电压跟随电路测试结果
3.2 程控放大电路
如图3-2-1所示为放大21倍结果显示，当输入信号为幅值Vi-pp=130mV，频率为F=1.00KHz时，输出信号为Vo-pp=2.64V，误差率：S2=（（2.73-2.64）/2.73）*100%=3.3%
如图3-3-2所示为放大0.6倍结果显示，当输入信号为幅值Vi-pp=3.48V，频率为F=1.00KHz时，
输出信号为Vo-pp=2.24V，误差率：S3=（（2.24-2.088）/2.088）*100%=7%

图3-2-1放大21倍测试结果

图3-2-2 放大0.6倍测试结果
3.3峰值检测电路
如图3-3所示，当输入信号为幅值Vi=1.12V，频率为F=4.00KHz时，
输出信号为Vo=1.08V，误差率：S4=（（1.12-1.08）/1.08）*100%=3.7%

图3-3 峰值检测电路测试结果
3.4 电压抬升电路
图3-4为抬升1.5V电压测试结果显示，当输入信号为幅值Vi=1.48V，频率为F=1.00KHz时，
输出信号为Vo=1.44V，平均值为1，59V，误差率：S5=（（1.59-1.5）/1.5）*100%=6%

图3-4 电压抬升测试结果
4 软件设计
4.1 系统总体程序流程图
系统总体程序流程图如图4-1所示，主程序见附录4。

开始

系统初始化设置

求峰值

放大倍数设置

否
信号采样完成？

是

FFT运算

功率计算

暂停健按下？
LCD显示
周期计算

否
是

图4-1 系统总体程序流程图

4.2 程控放大程序设计

图4-2为程控放大程序流程图。

峰值采样10个点

求平均值

是

峰值大于1.5V？

、

否
设置倍数为0.6

是
峰值大70mV？

否
设置倍数为1

设置倍数为21

图4-2 程控放大程序流程图
4.3 FFT程序设计
FFT程序主要由位倒置和蝶形运算组成。其位倒置程序流程图如图4-3所示：

i=1,j=512

i<1023?

是

i即为。
对于的求解，我们在STM32内部完成了1024点的基2时域抽取法FFT运算。
计算出了各频率分量上的功率大小，那么根据失真度的定义，即信号中全部谐波分量的能量与基波能量之比的平方根值，正弦信号的失真度可以很方便得求出。
4.5 周期计算
我们根据相关性能够反映信号相似程度的特点来解决周期性的判断问题。
自相关函数为：。它表示信号的波形与自身经过时刻后的波形的相似程度。当m=0时具有极大值，即相似性最好的时候。当移位时间恰好等于一个周期时，又有一个极大值，且两个极大值相等，则周期即为移位时间m.
实际测试时采样点要包含两个以上的周期，先取长为L的窗对数据进行加窗后再作上述的相关运算。得到需要的移位时间K后，根据采样频率即可计算出周期大小T为（为采样率）。
周期程序见附录3。
5、系统调试
5.1总硬件焊接图
图5-1为总硬件焊接图

5-1 总硬件焊接图
5.2液晶屏显示图：
当输入信号为Vi=1.05V，频率为F=1000Hz的正弦信号时，系统得到的测试结果为
平均功率P均=10.979mW，是周期信号Y=1，周期为0.97ms
最大功率的频率f1=1050Hz,功率为P1=4.785mW
次大功率的频率f2=0 Hz,功率为P2=0.2mW
失真度为ds=38.2%，放大倍数为b=1；

5-2 液晶屏显示图

5.3测试结果
测试结果1如表1所示,当输入频率相同，而输入幅度不同时，测得功率随幅度而变化；当输入幅度相同，而输入频率不同时，测得周期随输入频率而变化
表1
输入信号
实际测量
类型
频率
（Hz）
幅度
（V）
理论功率
（mV）
测量功率
（mV）
误差
（%）
周期
（ms）
误差
（%）
失真度
（%）
正弦
1000
4.02
161.604
158.6
1.9
0.97
3
34.1
正弦
1000
1.05
11.025
10.979
4.6
0.97
3
33.4
正弦
1000
0.05
0.025
0.0234
6.4
0.99
1
35.3
正弦
1000
3.77
142.1
137.2
3.4
1.97
1.5
38.9
正弦
5000
3.77
142.1
130.4
8.2
0.21
1
51.2
正弦
1000
3.77
142.1
101.7
28.3
0.09
10
36.8
测试结果2如图5-3-1，图5-3-2，图5-3-3所示，
当输入为2次，4次，8次谐波时，正弦波失真度分别为70.6%，85.4%，93.6%

图5-3-1 图5-3-2 图5-3-3
测试结果3如图5-3-4所示
当输入信号为2000Hz与3000Hz的正弦信号相加时，测得的周期为0.9ms

图5-3-4
6、总结
从对嵌入式的一窍不通到现在基本熟练，“音频信号分析仪”课程设计起了莫大的作用。
对于我们三个来说，音频信号分析仪是我们迄今为止做过的最难的课程设计。一开始的我们对这个课题充满迷茫，特别是STM32。经过上网查阅资料和自学，才对这个课题有了初步的认识与了解。因为在此之前完全没有学过嵌入式，所以看书很吃力。后来嵌入式入门后，看书就相对简单了，越学就越简单了。
在此次课题设计中，可谓遇到过许多困难。因为没有熟识的人请教，所以一切都由我们自己摸索与上网查阅。在硬件调试中，因为虚焊和连接错误而反复的测量各个部分的电压。在软件调试中，问题更多。当时就是每天改程序，改程序…做的时候就感觉很累很累，做完就感觉轻松轻松。
在学习上没有做不成的事，只有你不想去完成的事，坚持不懈就一定有所收获。
参考文献
1.《数字信号处理教程——MATLAB释义与实现》.陈怀琛著
2.《嵌入式系统原理及应用》.屈召贵 等著
3.《ARM Cortex嵌入式系统开发教程》.黄建华 等著
4.《STM32嵌入式微控制器快速上手》 陈志旺 等编著
附录
附录1：元器件明细表和仪器设备清单
核心板STM32F103VB：1块
TFT 液晶屏：1块
DAC0832:2个
OP07:4个
LM741:2个
1N4148:2个
电阻：若干
电容：若干
万用表：1个
函数发生器：1台
示波器：1台

附录2: FFT程序
struct complex //构造复数结构

{
float real;
float imag;
};

typedef struct complex COMPLEX;
void fft(COMPLEX *x)
{
double temp_re;
double temp_im;
unsigned int i,j,k,P;
unsigned int LH,K,B;
COMPLEX tmp;
LH=512;
j=LH;

for(i=1;i<1023;i++) //倒序最高位加1，逢2向次高位进位
{
if(i[j].real =x[i].real;
x[j].imag =x[i].imag;
x[i].real=tmp.real;
x[i].imag=tmp.imag;
}
K=512;
while((j24点输入序列进行位
for(i=1;i<=10;i++) //第一重循环控制蝶形的级数
{
B=pow(2,(i-1));
for(j=0;j<=(B-1);j++) //控制每级的蝶形和旋转因子
{
P=pow(2,(10-i))*j;
temp_re=cos(2*3.1415926*P/1024);
temp_im=sin(2*3.1415926*P/1024);
for(k=j;k<=1023;k=k+pow(2,i))
{
COMPLEX FFT_temp1,FFT_temp2;
FFT_temp1.real=x[k].real;
FFT_temp2.real=x[k+B].real;
FFT_temp1.imag=x[k].imag;
FFT_temp2.imag=x[k+B].imag;

x[k].real=FFT_temp1.real+FFT_temp2.real*temp_re+FFT_temp2.imag*temp_im;
x[k].imag=FFT_temp1.imag+FFT_temp2.imag*temp_re-FFT_temp2.real*temp_im;
x[k+B].real=FFT_temp1.real-FFT_temp2.real*temp_re- FFT_temp2.imag*temp_im;
x[k+B].imag=FFT_temp1imag-FFT_temp2.imag*temp_re+FFT_temp2.real*temp_im;
}
}
}
}
附录3：周期计算程序
int period(COMPLEX *T,int k) //参数T为时域数组地址，参数k为最大功率的频率
{

int i,m,t;
float Rx0=0,Rxx;
if(k>0)
{
t=512/k;
}
if(k>=20)
{
for(i=0;i<=k;i++)
Rx0+=T[i].real*T[i].real;
for(m=t;m<512;m++)
{
Rxx=0;
for(i=0;i<=k;i++)
Rxx+=T[i].real*T[i+m].real;

if((Rx0-Rxx)/Rx0<0.04) break; //误差在4%以内则是周期信号
}
}
else
if(k>0)
{
for(i=0;i<=2*t;i++)
Rx0+=T[i].real*T[i].real;
for(m=t;m<512;m++)
{

Rxx=0;
for(i=0;i<=2*t;i++)
Rxx+=T[i].real*T[i+m].real;

if((Rx0-Rxx)/Rx0<0.04) break;
}
}
else
{
for(i=0;i<=100;i++)
Rx0+=T[i].real*T[i].real;
for(m=2;m<512;m++)
{
Rxx=0;
for(i=0;i<=100;i++)
Rxx+=T[i].real*T[i+m].real;

if((Rx0-Rxx)/Rx0<0.04) break;
}
}
return m;

}

附录4 ：主程序
int main(void)
{

STM32_init();
delay_init(56);
LCD_Init();
TIM2->CR1|=0x01;
GPIO_Write(GPIOB, 0x00ff);

while(1)
{
shua=1;
TIM3->CR1|=0x01;

while(count!=10);
average=sum/10;
//峰值大于3V，倍数为0.6；峰值大于140mv，倍数为1；峰值大于25mv,倍数为21；峰值小于25mv,倍数为101
if(average>1861)
{
GPIO_Write(GPIOB, 0x03ff);
/
LCD_ShowString(10,130,16,"b: 0.6",1);

}
else
if(average>160)
{
GPIO_Write(GPIOB, 0x00ff);
LCDShowString(10,130,16,"b: 1",1);

}
else
{
GPIO_Write(GPIOB, 0x14ff);
LCD_ShowString(10,130,16,"b: 21",1);

}

while(flag); //等待采集信号1024点结束
for(i=0;i<1024;i++)
{
x[i].real =y[i].real;
x[i].imag = 0;
}

fft(x); //FFT计算

t=frequency(x); //功率计算

dis=(u16)(1000*sqrt((power/2-Max)/Max)); //失真度

cir=period(y,t); //周期计算
if(cir==(512/t)||cir==512||cir==2)
yes=0;
else
yes=1;

cir=1000*cir/512;

/************液晶屏显示*************/
LCD_ShowString(10,10,16,"P :",1);
LCD_ShowNum(50,10,(u16)(power*100),7,16);
LCD_ShowString(120,10,16,"m W(e-2)",1);

if(yes==1)
{
LCD_ShowString(10,25,16,"Y : 1",1);

LCD_ShowString(10,40,16,"T :",1);
LCD_ShowNum(50,40,cir,3,16);
LCD_ShowString(110,40,16,"m s(e-2)",1);
}
else
LCD_ShowString(10,25,16,"N : 0",1);

LCD_ShowString10,55,16,"f1:",1);
LCD_ShowNum(50,55,50*t,5,16);
LCD_ShowString(100,55,16,"H z",1);

LCD_ShowString(10,70,16,"p1:",1);
LCD_ShowNum(50,70,(u16)(Max*100),5,16);
LCD_ShowString(100,70,16,"m W(e-2)",1);

LCD_ShowString(10,85,16,"f2:",1);
LCD_ShowNum(50,85,50*f2,5,16);
LCD_ShowString100,85,16,"H z",1);

LCD_ShowString(10,100,16,"p2:",1);
LCD_ShowNum(50,100,(u16)x[f2].real,5,16);
LCD_ShowString(100,100,16,"m W",1);

LCD_ShowString(10,115,16,"ds:",1);
LCD_ShowNum(50,115,dis,5,16);
LCD_ShowString(100,115,16,"/1000",1);

for(i=0;i<220;i++)
{
y[i].real=40*y[i].real;
x[i].real=x[i].real;
GUI_DrawPoint(10+i,220-y[i].real,RED);
if(i>0)
LCD_DrawLine((9+i),220-y[i-1].real,(10+i),220-y[i].real); //画时域波形
LCD_DrawLine((10+i),lcddev.height,(10+i),lcddev.height-(u16)x[i].real); //画频率波形
delay_ms(10);
}

while(shua);
LCD_Clear(WHITE);

}
}

目 录
第一章 项目的意义和必要性 1
1.1 项目名称及承办单位 1
1.2 项目编制的依据 1
1.3 肺宁系列产品的国内外现状 2
1.4产业关联度分析 3
1.5项目的市场分析 4
第二章 项目前期的技术基础 8
2.1成果来源及知识产权情况，已完成的研发工作 8
2.3产品临床试验的安全性和有效性 8
第三章 建设方案 23
3.1建设规模 23
3.2 建设内容 23
3.3产品工艺技术 23
3.5产品质量标准 29
3.6 土建工程 37
3.7 主要技术经济指标 39
第四章 建设内容、地点 41
4.1 建设内容及建设规模 41
4.2 建设地点 41
4.3外部配套情况 44
第五章 环境保护、消防、节能 46
5.1 环境保护 46
5.2消防 49
5.3节能 50
第六章 原材料供应及外部配套条件落实情况 52
6.1主要原辅材料、燃料、动力消耗指标 52
6.2 公用工程 54
第七章 建设工期和进度安排 56
7.1建设工期和进度安排 56
7.2建设期管理 56
第八章 项目承担单位或项目法人所有制性质及概况 57
8.1 项目承担单位概况 57
8.2 企业财务经济状况 58
8.3 项目负责人基本情况 59
第九章 投资估算与资金筹措 62
9.1 项目计算期 62
9.2 投资估算的编制依据及参数 62
9.3 投资估算 62
9.4 资金筹措 64
9.5 贷款偿还 64
第十章 财务评价 65
10.1财务评价依据 65
10.2销售收入和销售税金及附加估算 65
10.3利润总额及分配 66
10.4盈利能力分析 66
10.5不确定分析 66
10.6财务评价结论 68
第十一章 项目风险分析，效益分析 69
11.1 风险分析 69
11.2 效益分析 70