数学执车与率用
基于STM32的音频信号分析仪设计
郭嘉敬黎扬欢
(华南师范大学物理与电信工程学院广东广州510006)
设计开发
摘要：本系统基于快速傅里叶变换(FFT)算法，以STM32为控制与数据处理核心,结合必要的外图电路,实现对频率范图为20Hz-10KHz频信号频率成分的分析，精度为20H2。系统由控制与运算核心、程控放大器、直流偏置电路三个模块组成。通过对程控放大器增益的调整将系统可测电压(峰峰值)的动态范图扩展到10mV-10V,并实现了对信号失真度的分析。另外,通过TFT液晶屏是示信号基波分量以及各谱波分量的频率以及大小
关键词：FFT音频信号频率程控放大器信号失真度
中图分类号：TN911.6
文献标识码:A
本系统设计的是一个可分析音频信号额率成分，并可测量正弦波信号失真度的仪器，设计可以分为三大部分：控制与运算核心、程控放大器、直流偏置电路。我们将设计的重点放在对输人信号各频率成分功率的测量，其中，在较大的动态范图内保证待测信号的精度放大是本设计的难点。本设计中音频信号分析仪是一种基于快速博里叶变换(FFT)算法进行音频信号分析的方案，其工作原理是：用 STM32对被测信号进行A/D采集，采用FFT方法对被测信号进行分析，实现对音频信号的额率成分的分析以及对正弦波失真度的测
量。本文中所设计的系统成本低，实用性比较强。 1系统实现总体框图
如图1所示，系统已STM32为控制与运算核心，输入端并联两个 100欧姆的电阻实现50Q的输入阻抗。待测信号经过由模拟快关 CD4051控制的一级程控放大器，被放大到适合A/D采样的范围以内，再经过直流偏置电路，由STM32内置的12位AD采集模块，实行对输入信号的采样。采样所得的结果，经FFT变换为此信号的频域表示，经STM32转换为对应频率的功率值，按功率从大到小排序。频率测量与失真度分析也是由STM32完成。相应的测量结果有TFT
LCD显示，通过键盘截取某一瞬间的结果。 2实现原理
2.1功率谱测量原理
功率谱测量主要通过对音频信号进行离散化处理，通过FFT运算，求出信号各个离散频率点的功率值，然后得到离散化的功率谱。
为了使频率分辨力达到20Hz，这说明在进行FFT运算前必须通过调整采样频率(fK)和采样的点数(N)，使其频率分辨力f为20Hz。
根据颠率分辨率与采样频率和采样点数的关系： f=fk/N,
可以得知，
fk=N+f
本系统中分辨力为20Hz，即f=20Hz，采集的点数为1024个点，即N=1024，故fk=20.48KHz
又根据采样定理，采样频率fk必须不小于信号频率m的2倍，：
fk>=2fm;
故最大测量频率为10KHz
STMB2
编入信号
程控放大器 NE5532+ CD4051
加法器 NE5532
数转换
键型控用
图一系统实现总体框图
收移日期：2015-0511
谱分折
LCD
文章编号：1007-9416(2015)06-0153-01
通过FFT分析出不同的频率点对应的功率后，就可以画出其功率谱，并可以在频域计算其总功率。
2.2失真度测量原理
失真度定义为信号中全部谱波分量的能量与基波能量之比的平方根，即
D=
Al
式中A1为基波的能量，An为n次谱波的能量。通过FFT已经可以得到各频率对应的能量大小，只要将其代人上式便可得到待测信号的失真度。
3主要功能模块设计
3.1程控放大器的设计
本系统的程控放大器设计方案是使用模拟开关选择不同的电阻值，作为放大器的反馈电阻，实现不同量程的放大倍数。这种方案控制简单，只要运放的增益带宽积和噪声抑制能力足够大，每级的增益是恒定的。为了解决模拟开关存在的导通电阻对系统的影响，本系统把模拟开关的导通电阻可与放大器的选通电阻一并看作放大器的反馈电阻
本系统的输人电压范围为10mV到5V。如果A/D采集的有效范围是400mV-3.3V，则所需的最大放大倍数不应小于40。本系统采用一级程控放大，一共分为五档。用模拟开关CD4051实现档间切换。考虑到模拟开关存在导通电阻，使电位器确定增益时要将这一电阻考虑在内，故本电路的反馈电阻用电位器代替，以便灵活调节。
3.2直流偏置电路设置
由于AD采集只能对正信号进行采集，并且在1V到2V的区间，采集精度相对高点。故本系统设计了直流偏置电路对输入的音频信号进行偏置。
本系统采用的直流偏置电路实际上是一个加法器。通过把程控放大器出来的音频信号与直流偏置电压相加，把音频信号抬高。 4系统软件设计
本系统软件设计主要功能A/D采集和FFT变换。被测信号通过程控放大和直流偏置后，由STM32进行AD采集，每次共采集1024个点，然后用FFT算法进行傅里叶变换，得到信息的频谱信息，计算各个频率的能量，然后用快速排序算法依据各个频率的能量对各个额率进行排序，从而得到被测信号的各个频率分量。频率失真度就是
是用各个波分量的能量与基波能量之比的平方根。 5结语
本文设计的音额信号分析仪实现了对信号的采集，频谱分析失真度分析以及显示。经过测试，系统具有分辨力高，性能良好，成
本低，具有较强的实用性和便携性等优点。参考文献
[1]姚天任.江太辉.数字信号处理(第三版)[M.武汉：华中科技大学 2007.8.
作者简介：郭嘉数(1993一)，男，汉，广东高州人,本科，研究方向：通信工程。
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