電子信息畢業(yè)論文-話筒頻譜特性測量儀設(shè)計(jì)

1、 . 緒論1.1 研究的意義與前景自然界的萬物都有著自己的固有頻率，只要抓住認(rèn)識到這些頻率，了解認(rèn)知它們的頻率，才可以掌握并加以控制。生活中有很多的真實(shí)感觸都是由于頻率的變化而感受到的，例如人們聽到的歌聲，用眼睛看到的美麗景色，這都是人體器官對聲音和光的頻率的感知來呈現(xiàn)的。頻率看不著，摸不到，但是它卻一直充斥著我們的生活，并且深刻的影響這我們的生活。隨著科技日益進(jìn)步，信號處理幾乎已經(jīng)深入到所有工程領(lǐng)域和生活領(lǐng)域。目前工業(yè)控制領(lǐng)域的測試對象越來越多，并且對于系統(tǒng)的性能要求也越來越高，工業(yè)測控領(lǐng)域?qū)τ陬l譜分析的需求越來越大。通過頻譜分析可以快速的分析出如速度、壓力、噪聲等測量參數(shù)，并且可以根據(jù)系統(tǒng)

2、運(yùn)作時(shí)的頻譜判斷系統(tǒng)的運(yùn)行情況。頻譜分析儀是只是硬件載體，是對信號分析的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，核心內(nèi)容是是信號處理的各種算法，因此詳細(xì)的研究各種頻譜分析的方法和其理論是十分有必要和意義的，能夠幫助我們解決大量的問題。頻譜是一組正弦波，經(jīng)適當(dāng)組合后，形成被考察的時(shí)域信號。頻譜分析就是將時(shí)域信號變換至頻域加以分析的一種實(shí)用方法。頻譜分析的目的是把復(fù)雜的時(shí)域波形，經(jīng)過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以便獲得信號的頻率結(jié)構(gòu)、各諧波和相位等特性信息。測試信號的頻域分析是把信號的相位、幅值或能量通過變換以頻率的形式在坐標(biāo)軸上表示，然后再分析其頻率特性的一種分析方法，又稱為頻譜分析。對信號進(jìn)行頻譜分析，可以獲

3、得許多有價(jià)值的信息，如求得動(dòng)態(tài)信號中的各個(gè)頻率成分和頻率分布范圍，求出各個(gè)頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。某些測量場合要求我們考察信號的全部信息頻率，幅度和相位，這種信號分析方法稱為矢量信號分析?，F(xiàn)代頻譜分析儀能夠支持非常廣泛的矢量信號測量應(yīng)用。然而，即便不知道各正弦分量間的相位關(guān)系，我們也同樣能實(shí)施許多的信號測量，這種分析信號的方法稱為信號的頻譜分析。頻譜分析更容易理解，而且非常實(shí)用。頻譜分析儀器主要有掃描調(diào)諧超外差式頻譜分析儀，非超外差式頻譜分析儀。非超外差式分析儀是傅立葉頻譜分析儀:它將時(shí)域信號數(shù)字化以后用數(shù)字信號處理技術(shù)對其做快速傅立葉變換(FFT)，

4、最后在頻域中顯示信號。FFT方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠捕獲單脈沖信號，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是還能測量信號的相位和幅度。然而，傅立葉分析儀與超外差式頻譜分析儀相比，特別是在頻率范圍、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等方面還有某些局限性。傅立葉頻譜分析儀通常用于40MHz以下的基帶信號分析。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，信號處理已經(jīng)深入到很多的工程領(lǐng)域，信號頻域的特征越來越受到重視。在信號通信、雷達(dá)對抗、音頻分析、機(jī)械診斷等領(lǐng)域，頻譜分析技術(shù)起到很大的作用。頻譜分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，諸如衛(wèi)星接收系統(tǒng)、無線電通信系統(tǒng)、行動(dòng)電話系統(tǒng)基地臺輻射場強(qiáng)的量測、電磁干擾等高頻信號的偵測與分析，同時(shí)也是研究信號成份、信號失真度、信號衰減量、電子

5、組件增益等特性的主要儀器。1.2 研究的原理話筒又叫麥克風(fēng)，學(xué)名傳聲器（Microphone），是將聲音轉(zhuǎn)換成電能的換能器。話筒根據(jù)其能量轉(zhuǎn)換的方式不同，可以分為動(dòng)圈話筒和電容話筒兩大類。話筒工作時(shí)，是在其接收前端通過聲波作用到聲電原件上產(chǎn)生電壓，之后轉(zhuǎn)換為電能，是一種非常常見的擴(kuò)音設(shè)備。從1877年話筒被發(fā)明以來，它由最初的通過電阻轉(zhuǎn)換聲音電信號開始，逐步發(fā)展成為電容式轉(zhuǎn)換和電感式轉(zhuǎn)換，大量新型技術(shù)應(yīng)用到其中，使得話筒技術(shù)日趨成熟。通過話筒放大的聲音多種多樣，根據(jù)不同的話筒型號，其頻譜特點(diǎn)也不盡相同。有些由于背景噪聲的影響使得需要獲取的有效信息模糊不清，通過人耳很難判斷，這就需要在頻域上對聲

6、音信號進(jìn)行分析研究，即頻譜分析。在現(xiàn)實(shí)生活中對于信號進(jìn)行頻譜分析具有重要的意義。通過對信號頻譜的分析可以獲得更多有用信息，可以得到信號的頻率結(jié)構(gòu)，了解信號的頻率成分或系統(tǒng)的特征，求出各個(gè)頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。在此基礎(chǔ)之上，可實(shí)現(xiàn)對信號的跟蹤控制，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的早期預(yù)測，發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)并診斷可能發(fā)生故障的原因，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行識別及校正1。因此，頻譜分析是揭示信號特征的重要方法，也是處理信號的重要手段2。而進(jìn)行頻譜分析的儀器就是頻譜分析儀，它能自動(dòng)分析電信號并在整個(gè)頻譜上顯示出全部頻率分量情況，確定一個(gè)變化過程(稱為信號)的頻率成分，以及各頻率成分

7、之間的相對強(qiáng)弱關(guān)系。對頻譜儀的研究設(shè)計(jì)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，Agilent、Fluke等歐美公司所開發(fā)的進(jìn)口頻譜分析儀精度能夠達(dá)到1db以下，分析頻率最高可達(dá)100GHz，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。國內(nèi)開展頻譜儀研制起步較晚，胡煜等開發(fā)了一套基于FFT算法的音頻頻譜儀，添加了硬件乘法器，在測量20KHz音頻范圍內(nèi)提高了測量精度，大大降低了硬件成本3。劉欣等利用FPGA設(shè)計(jì)了一套實(shí)時(shí)寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有16K通道數(shù)，2GHz處理帶寬，經(jīng)過仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作正常，精度較高4。話筒是接收音頻的終端之一，不同聲音由于頻率、相位和幅值的不同，通過識別其頻譜特征就可以判斷是何種波形5。這種性質(zhì)

8、對語音識別、噪聲監(jiān)測等研究具有重要的意義和價(jià)值。目前，大多數(shù)音頻信號檢測裝置不僅體積龐大不便于攜帶，而且價(jià)格昂貴，難以普及使用。針對這種現(xiàn)狀，提出了一種基于STM32芯片的簡易頻譜特性測量儀的設(shè)計(jì)方案，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，能夠直觀的反映信號在頻域的特征。1.3 論文總體結(jié)構(gòu)安排本論文總共分為5章，具體研究內(nèi)容如下：第1章：介紹了論文的研究的意義和背景，對論文研究需要的原件進(jìn)行介紹；第2章：闡述話筒頻譜特性測量儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對研究過程中需要運(yùn)用的快速傅里葉變 換進(jìn)行大致的介紹，了解快速傅里葉變換的意義以及用途，對話筒頻譜特性 測量儀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的講解；：對話筒頻譜特性測量儀硬件電路設(shè)計(jì)過程中，需

9、要使用的芯片等進(jìn)行詳細(xì)介 紹，分析每個(gè)芯片原件的作用與功能，對研究中存在的問題進(jìn)行分析處理；第4章：對話筒頻譜特性測量儀研究中，需要使用的程序編程軟件進(jìn)行介紹，對軟件 實(shí)現(xiàn)過程中的流程進(jìn)行全面分析；第5章：對整篇文章進(jìn)行總結(jié)。2. 話筒頻譜特性測量儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 快速傅里葉變換及其相關(guān)原理傅里葉變換的理論與方法在“數(shù)理方程”、“線性系統(tǒng)分析”、“信號處理、仿真”等很多學(xué)科領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，由于計(jì)算機(jī)只能處理有限長度的離散的序列，所以真正在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算的是一種離散傅里葉變換6。數(shù)字信號的傅里葉變換，通常采用離散傅里葉變換(DFT)方法。離散傅里葉變換（DFT），是傅里葉變換其實(shí)是在時(shí)域與頻域

10、上呈離散排列的一種形式，是將信號在時(shí)域上進(jìn)行的采樣通過一定的變換，將其變成其DTFT的頻域采樣。在形式上，其變換的兩端在時(shí)域與頻域上的序列都是有限長的，而在實(shí)際上這兩組序列通常被理解為離散得周期信號主值序列。即使是對有限長離散傅里葉信號作DFT，也可以將其合理化的看作其周期延申的變換。在實(shí)際運(yùn)算中，DFT存在的不足就是計(jì)算量過于大，對于計(jì)算一個(gè)N點(diǎn)的DFT ，一般需要N2次復(fù)數(shù)乘法和N(N-1)次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算。隨著現(xiàn)在電子電路集成度的大大提高，電路的組成越來越復(fù)雜，要完成一個(gè)電路的基本測試需要的人力和時(shí)間都是非常的巨大，實(shí)際中很難進(jìn)行實(shí)時(shí)處理反饋。由此看來，當(dāng)N較大或要求對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理時(shí)，

11、往往難以實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)算速度，而且會浪費(fèi)很多的資源與時(shí)間。而通過我們所學(xué)的快速傅里葉算法（FFT）可知，快速傅里葉算法是傅里葉變換的一種快速算法，對每一個(gè)n，計(jì)算X()須作N次復(fù)數(shù)乘法及（N-1）次復(fù)數(shù)加法。但以下介紹的快速傅里葉變換的算法，可大大減少運(yùn)算次數(shù)，提高工作效率。Cooley和Tukey在1965年提出了計(jì)算離散傅里葉變換（DFT）的新算法，就是快速傅里葉算法（FFT），將DFT的運(yùn)算量一下子減少了幾個(gè)數(shù)量級。現(xiàn)今，F(xiàn)FT在離散傅里葉的反變換、線性卷積以及線性相關(guān)等方面也都有著重要的應(yīng)用。本文就是利用FFT的這一特性，結(jié)合STM32F芯片完成設(shè)計(jì)。計(jì)算離散傅里葉變換的快速方法有兩種，

12、分為按時(shí)間抽取的FFT算法和按頻率抽取的FFT算法。時(shí)間抽取算法：令信號序列的長度為N=2,可以將時(shí)域信號序列x(n)分解成兩部分，一部分是偶數(shù)部分X（M），另一部分是奇數(shù)部分X（L），于是信號序列X(n）的離散傅里葉變換可以用兩個(gè)N/2抽樣點(diǎn)的離散傅里葉變換來表示其計(jì)算的和。頻率抽取算法：按頻率抽取的 FFT算法是將頻域信號序列X(k）分解為奇偶兩部分，但算法仍是由時(shí)域信號序列開始逐級運(yùn)算，同樣是把N點(diǎn)分成N/2點(diǎn)計(jì)算FFT，可以把直接計(jì)算離散傅里葉變換所需的N次乘法縮減到次。2.2 控制核心選型單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的CPU、RAM、ROM、

13、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能集成到一塊硅片上。32位單片機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)在應(yīng)用的主流，其性價(jià)比和以及開發(fā)程度都比較高，能夠在單片機(jī)中移植操作系統(tǒng)，所以選型時(shí)確定在32位單片機(jī)中選擇。其它考慮方面如下：1. 足夠大小的Flash和RAM。本系統(tǒng)需要存儲大量的數(shù)據(jù)和程序。需要足夠的Flash空間存放程序文件，同時(shí)需要接收和處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的程序配置，保證系統(tǒng)能夠順利穩(wěn)定的運(yùn)行。2. 強(qiáng)大的庫函數(shù)，調(diào)用起來方便，易于開發(fā)，大大減少開發(fā)時(shí)間。STM32庫是由ST公司針對STM32提供的API，開發(fā)者可調(diào)用這些API進(jìn)行配置STM32的寄存器。開發(fā)人員脫離了最底層的寄存器操作，以后開

14、發(fā)維護(hù)就變得方便多了，就想有了c語言脫離了匯編那樣，開發(fā)變得非常的簡單，同時(shí)閱讀也變得方便多了。 3. 處理數(shù)據(jù)的速度快、高效。本系統(tǒng)需要處理接收的藍(lán)牙信息和紅外學(xué)習(xí)模塊傳送的數(shù)據(jù)信息。需要短時(shí)間處理這些數(shù)據(jù)，并發(fā)送。4. 功耗低。減少使用成本，更加節(jié)約電能，并且可以長時(shí)間運(yùn)行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。5. 性價(jià)比高,節(jié)約成本通過多方比較最終選擇ST公司的STM32F103ZET6作為本系統(tǒng)的核心處理芯片。2.3 話筒頻譜特性測量儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電 源電 源放大電路STM32人機(jī)接口話筒 圖2-1 話筒頻譜特性測量儀結(jié)構(gòu)示意圖目前的頻譜特性測量儀設(shè)計(jì)有多種方式，常見的有以模擬濾波器為基礎(chǔ)的模擬式頻譜特性測

15、量儀和并行濾波法、掃描濾波法、小外差法等原理實(shí)現(xiàn)的頻譜特性測量儀。但這些方法無一例外的受到模擬濾波器濾性能的限制，低成本的簡易結(jié)構(gòu)頻譜特性測量儀難以實(shí)現(xiàn)高精度濾波要求。而采用數(shù)字式的頻譜特性測量儀以FFT算法為基礎(chǔ)，通過信號的頻譜圖可以很方便的得到輸入信號的各種信息，如功率譜、頻率分量以及周期性等。外圍電路少，實(shí)現(xiàn)方便，精度高。所以本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇采用數(shù)字式的頻譜特性測量儀的實(shí)現(xiàn)原理。本文所設(shè)計(jì)頻譜特性測量儀結(jié)構(gòu)方案如圖2-1所示。將整個(gè)系統(tǒng)分為MCU、A/D轉(zhuǎn)換電路、放大電路、人機(jī)接口電路及電源系統(tǒng)5大部分。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)話筒接收音頻信號后由話筒內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，音頻信號

16、再經(jīng)過由運(yùn)放和電阻組成的一個(gè)50的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后，再通過量程控制模塊進(jìn)行分析處理，若是信號產(chǎn)生的電壓在0mV-5V之間，我們則選擇直通，也就是說信號沒有衰減或者放大，但是如果信號產(chǎn)生的電壓太小，由于12位的AD轉(zhuǎn)換器在2.5V的參考電壓下，它的實(shí)際最小分辨力僅為1mV左右，所以如果選擇直通的話，其經(jīng)過離散化處理后的數(shù)據(jù)將會存在較大的誤差，所以當(dāng)我們實(shí)際采集到信號后發(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，從而選擇信號經(jīng)過20倍增益的放大器后再進(jìn)行A/D采樣。STM32中集成有8位精度的A/D轉(zhuǎn)換通道，通過A/D轉(zhuǎn)換后模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后傳到MCU處理芯片中

17、進(jìn)行計(jì)算。MCU芯片中應(yīng)下載有FFT算法等程序，測量到的頻譜特性可通過人機(jī)接口實(shí)時(shí)顯示出來。所設(shè)計(jì)話筒頻譜測量儀的內(nèi)部電路統(tǒng)一由同一個(gè)電源供電，STM32F103作為核心處理器。該處理器內(nèi)核架構(gòu)ARM Cortex-M3，具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)，選擇其作為控制核心非常合適。功率譜測量主要通過對音頻信號進(jìn)行離散化處理，通過FFT運(yùn)算，求出信號各個(gè)離散頻率點(diǎn)的功率值，然后得到離散化的功率譜。對于普通的音頻信號，頻率分量一般較多，它不具有周期性。測量周期可以在時(shí)域測量也可以在頻域測量，但是由于頻域測量周期性需要要求某些頻率點(diǎn)具有規(guī)律，需要零點(diǎn)或接近零點(diǎn)出現(xiàn)，所以對于較為復(fù)雜的音頻信號，一些

18、頻率分量較多，一些功率分布較均勻且低的信號就無法對其周期性進(jìn)行正確的分析。而在時(shí)域上對信號進(jìn)行分析，我們可以先對信號進(jìn)行處理，然后通過假設(shè)的方法，假定其信號具有周期性，然后測出其頻率，把采樣的信號進(jìn)行周期均值法和定點(diǎn)分析法的分析后，即可以清楚的判別出其是否具有周期性，如有周期性也可了解其周期特性。綜上，我們選擇信號在時(shí)域進(jìn)行周期性分析和周期性測量。對于通常的音頻信號，其在時(shí)域上的變化是不規(guī)則的，因此它不具備周期性。而對于單頻信號以及由多個(gè)具有最小公倍數(shù)的頻率組合的多頻信號，由于其在時(shí)域上的變化是規(guī)則的，所以它是具有周期性的。這樣我們可以在頻域?qū)π盘柕念l譜進(jìn)行定量分析，從而得出其周期性。而我們通

19、過先假設(shè)信號是周期的，然后算出頻率值，然后在用此頻率對信號進(jìn)行采樣，采取連續(xù)兩個(gè)周期的信號，對其值進(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，若相差不遠(yuǎn)（約5%），則可以認(rèn)為是周期信號。2.4 話筒頻譜特性測量儀使用的范圍本文為了方便所設(shè)計(jì)的頻譜特性測量儀能夠適用于大多數(shù)的音頻分析場合，所以將頻率分辨能力設(shè)定為兩個(gè)檔位，假設(shè)頻率分辨力為100Hz和20Hz兩個(gè)檔。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。 一般的話筒接收音頻最大頻率為10KHz，所以采樣頻率必須大于20KHz，考慮到FFT運(yùn)算在2的次數(shù)的點(diǎn)數(shù)時(shí)的效率較高

20、，所以我們在20Hz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. 話筒頻譜特性測量儀硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)第一章中對整體結(jié)構(gòu)的分析，本章詳細(xì)介紹了STM32F103最小系統(tǒng)、放大電路、顯示電路等核心電路的設(shè)計(jì)思路。本章中電路圖均使用Protel 99se繪制。3.1 Protel 99se簡介Protel 99SE是一個(gè)正在流行的電子線路CAD軟件，它能使設(shè)計(jì)人員很方便地利用計(jì)算機(jī)來完成電子線路設(shè)計(jì)過程。Protel軟件是Altium公司在80

21、年代末推出的一款 HYPERLINK /view/5822.htm t _blank EDA軟件，在電子行業(yè)現(xiàn)有的CAD軟件中，它幾乎是是電子設(shè)計(jì)者的首選。Protel軟件較早進(jìn)入中國較早，普及率較高。Protel99se主要包含以下兩大部分和6個(gè)功能模塊。電路工程設(shè)計(jì)部分：電路原理設(shè)計(jì)部分、印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)、自動(dòng)布線系統(tǒng)，電路仿真與PLD部分：電路模擬仿真系統(tǒng)、可編程邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)、高級信號完整性分析系統(tǒng)。Protel99 SE共分6個(gè)模塊，分別是電氣原理圖設(shè)計(jì)、印刷電路板PCB設(shè)計(jì)，其中包含網(wǎng)絡(luò) HYPERLINK /view/3067056.htm t _blank 信號完整性分析、原理

22、圖混合電氣信號仿真、PLD設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線等功能。本文中將使用Protel 99se對話筒頻譜特性測量儀進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。3.2 STM32微控制器在本設(shè)計(jì)中，控制及計(jì)算部分都由STM32F103來實(shí)現(xiàn)。其中STM32核完成點(diǎn)陣顯示、FFT算法實(shí)現(xiàn)、功率計(jì)算、A/D轉(zhuǎn)換控制，增益選擇控制等，STM32連線如圖3-1所示:圖3-1 STM32原理圖STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M內(nèi)核。其中STM32F1系列有： HYPERLINK /view/8232913.htm t /_blank STM32F103“增強(qiáng)型”系列，STM32F1

23、01“基本型”系列，STM32F105、STM32F107“互聯(lián)型”系列等。3.3 電源管理模塊系統(tǒng)的核心芯片為STM32F103，常用工作電壓為3.3V，同時(shí)內(nèi)部的ADC工作的參考電壓也是3.3V，一般的外部電源的電壓都為5V，要使系統(tǒng)正常工作，需要將5V的電源電壓穩(wěn)壓到3.3V。常用的78系列穩(wěn)壓芯片已不再適用，必須選擇性能更好的穩(wěn)壓芯片。經(jīng)綜合考慮，本電路采用LM1117-3.3作為電源部分的核心芯片。外部電源5V輸入LM1117-3.3穩(wěn)壓為3.3V。由于點(diǎn)陣屏顯示部分的電流較大，但是不在我們主控板上，所以暫不做考慮。3.4 放大電路設(shè)計(jì)AD620是一個(gè)低成本、高精度的儀表放大器，使用

24、方便，在使用時(shí)只需要一個(gè)外部電阻即可設(shè)置增益。其放大倍數(shù)為1-1000，為精度考慮，在放大500倍的時(shí)候最為準(zhǔn)確。由于AD620體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣等一些特點(diǎn), 因此AD620特別適宜應(yīng)用到許多方面，諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測儀、精密電壓電流轉(zhuǎn)換等實(shí)際場合。由于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求輸入阻抗為50歐姆，所以在前端電路信號輸入處加了一個(gè)跟隨電路，利用一個(gè)50歐姆的電阻與一運(yùn)放的輸入端并聯(lián)，滿足50歐姆輸入阻抗的要求，在選擇運(yùn)放方面，選擇了帶寬增益積較高、輸入失調(diào)電壓較小比較適合音頻信號的AD620。這款芯片可在寬頻域范圍內(nèi)接收信號，帶寬可達(dá)120KHz，滿足音頻放大要求。如圖3-2所示:

25、圖3-2 放大電路原理圖信號輸入后通過R5，R6兩個(gè)100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=50，阻抗匹配后的通過繼電器控制是對信號直接送給AD轉(zhuǎn)換還是放大20倍后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。本文選擇的運(yùn)放是低噪聲、低失真的儀表放大器AD620，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)部原理圖如圖3-3所示:圖3-3 AD620內(nèi)部原理圖其中放大器A1的輸出電壓計(jì)算公式為OUT1=1+(R1/RG)*VIN+； （3-1）同理OUT2=1+(R2/RG)*VIN-； （3-2）R3、R4、

26、R5、R6及A3構(gòu)成減法器，最后得到輸出公式VOUT=(VIN2-VIN1)*1+(R1+R2)/RG； （3-3）R1=R2=5K,取RG=526，從而放大倍數(shù)為20。 3.5 顯示電路設(shè)計(jì) 為了所設(shè)計(jì)頻譜特性測量儀能夠便于讀取結(jié)果，設(shè)計(jì)了由點(diǎn)陣構(gòu)成了顯示界面。為了能夠適合話筒接收音頻的頻率范圍，將顯示點(diǎn)陣設(shè)計(jì)成16*64的寬屏幕，是用了16塊88點(diǎn)陣模塊，把每一行的行線連起來，每一列的列線連起來級聯(lián)成6416點(diǎn)陣顯示屏。4塊88點(diǎn)陣模塊級聯(lián)成1616點(diǎn)陣模塊示意圖如圖3-4所示：8條列線連在一起組成16列88條列線連在一起組成16列8條行線連在一起組成16行圖3-4 4塊88點(diǎn)陣級聯(lián)示意圖

27、按此方法，通過16個(gè)88點(diǎn)陣模塊組成的成16*64的寬屏幕如圖3-5所示:圖3-5 16*64電子顯示屏LED顯示屏工作的原理，是利用發(fā)光二極管點(diǎn)陣模塊，或者像素單元組成的平面式顯示屏幕。它是多個(gè)獨(dú)立的LED發(fā)光二極管封裝而成，LED點(diǎn)陣顯示屏可以顯示漢字、數(shù)字、符號等，通常用來顯示文字、時(shí)間、速度、系統(tǒng)狀態(tài)等。由于它具有發(fā)光率高、使用壽命長、組態(tài)靈活、色彩豐富以及對室內(nèi)或者室外環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于廣告、證券、信息廣播、新聞發(fā)布等方面，是目前國際上級為先進(jìn)的顯示媒體。本文選取16塊88的點(diǎn)陣模塊級聯(lián)成1664的點(diǎn)陣模塊，組成兩行八列的顯示器。由于需要在顯示屏上清晰地直觀的顯示出波

28、形，因此采用一種稱為動(dòng)態(tài)掃描的顯示方法。動(dòng)態(tài)的數(shù)碼掃描顯示方式是充分利用了人眼的視覺殘留效應(yīng)，把八個(gè)液晶數(shù)碼管按照一定的邏輯順序依次顯示，當(dāng)顯示的頻率不是很大時(shí)即液晶管顯示的速度不是很快時(shí)，我們就可以清晰地看到數(shù)碼管依次的顯示，然而，當(dāng)顯示管顯示的速度足夠大時(shí)即點(diǎn)亮的速度足夠快時(shí)，我們看到的將不再是依次的點(diǎn)亮，而是全部同時(shí)顯示（被點(diǎn)亮），這與通常的顯示效果是一樣的。顯示器在獲取數(shù)據(jù)時(shí)，采用掃描法進(jìn)行顯示時(shí)，每行都有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器控制，各行的同名列共用一個(gè)列驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。顯示的數(shù)據(jù)通常會存儲在單片機(jī)中的存儲器中，按照每8位一個(gè)字節(jié)的形式進(jìn)行順序傳送。顯示時(shí)，需要把一行中對應(yīng)的各列的數(shù)據(jù)都依次傳送

29、到與之相對應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)器上，然而這樣的傳輸在實(shí)際的運(yùn)用中存在一個(gè)明顯的問題，顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。查詢文獻(xiàn)可以知道，采用并行或者串行傳輸數(shù)據(jù)方式，從控制電路再到列驅(qū)動(dòng)器上的數(shù)據(jù)傳輸，這樣就可以解決這個(gè)問題。然而實(shí)際過程中，采用并行方式傳輸數(shù)據(jù)，從控制電路再到列驅(qū)動(dòng)器，其線路數(shù)量過于龐大，相對應(yīng)的所需要的硬件就要很多。然而當(dāng)列數(shù)過多時(shí)，使用并行傳輸數(shù)據(jù)的方案就不可取。采用串行傳輸數(shù)據(jù)的方法，控制電路可以只選用一根線，把列數(shù)據(jù)一位一位傳輸?shù)搅序?qū)動(dòng)器上，在硬件方面可以省去很多，這是十分經(jīng)濟(jì)的。但是串行傳輸也存在一個(gè)問題，就是傳輸?shù)倪^程較長，數(shù)據(jù)按順序依次的地輸出到列驅(qū)動(dòng)器，只有當(dāng)一行的各列數(shù)據(jù)都已傳輸?shù)?/p>

30、驅(qū)動(dòng)器之后，這一行的各列才能并行地對結(jié)果進(jìn)行顯示。這樣，對于一行的顯示過程，我們需要將其分解成列數(shù)據(jù)傳輸和列數(shù)據(jù)顯示兩大部分。對于串行傳輸數(shù)據(jù)的方式來說，實(shí)際列數(shù)傳輸時(shí)間可能過于長，在對行進(jìn)行掃描的周期確定的情況下，留給行數(shù)據(jù)顯示的時(shí)間就過于少了，以至影響到LED的亮度。為了解決串行傳輸過程中，列數(shù)據(jù)傳輸和顯示時(shí)存在的時(shí)間矛盾，我們可以運(yùn)用重疊處理的方法，這樣就可以很好地解決這些問題，使的LED可以很好的工作。圖3-6 74HC595芯片74HC595芯片如圖3-6所示：圖3-6 74HC595芯片74HC595是一個(gè)具有8位移位寄存器和存儲器，三態(tài)輸出功能的芯片。三態(tài)輸出就是具有高電平、低電

31、平和高阻抗三種輸出狀態(tài)的門電路。74HC595的具體使用步驟：第一步將要準(zhǔn)備輸入的位數(shù)據(jù)移入74HC595數(shù)據(jù)輸入端上，送位數(shù)據(jù)到_595；第二步將位數(shù)據(jù)逐位移入74HC595，即數(shù)據(jù)串入，由SCK_595產(chǎn)生一上升沿，將PSI_595上的數(shù)據(jù)移入74HC595中，從低到高；第三步并行輸出數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)并出，由P1.1產(chǎn)生一上升沿，將由SI_595上已移入數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)，送入到輸出鎖存器。本文采用74HC595做顯示屏的驅(qū)動(dòng)芯片，其芯片組合如下：行驅(qū)動(dòng)如圖3-7：兩片74HC595芯片引出16個(gè)輸出端口連接到16*64的16跟行線上。圖3-7 LED行驅(qū)動(dòng)模塊列驅(qū)動(dòng)如圖3-8：將8塊74HC

32、595芯片串行連接，第一片的Q7與第二片的DS相連，以此類推，連接成一個(gè)具有64個(gè)輸出端口的級聯(lián)電路。64個(gè)端口分別與16*64LED顯示屏模塊的64個(gè)列引腳相連，再在中間串接一個(gè)PNP型三極管（起功率放大作用），保證顯示屏的亮度（可視）。圖3-8 LED顯示列驅(qū)動(dòng)模塊4. 話筒頻譜特性測量儀軟件設(shè)計(jì)頻譜特性測量分析中需要采用FFT算法進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，作為整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心部分，F(xiàn)FT可以使用VHDL硬件編程語言實(shí)現(xiàn)，但FFT的VHDL程序編寫難度大，短時(shí)內(nèi)不易實(shí)現(xiàn)。STM32支持C語言編程方式，F(xiàn)FT算法可以通過對STM32下載軟件實(shí)現(xiàn)。從時(shí)間上考慮，短期內(nèi)我們不可能實(shí)現(xiàn)一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的FFT

33、算法，因此選用軟件來實(shí)現(xiàn)FFT的計(jì)算。本章中軟件設(shè)計(jì)采用Keil編程工具完成。4.1 編程語言本設(shè)計(jì)采用C語言來編寫。C是高級語言：它把高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實(shí)用性結(jié)合起來11。C 語言可以像HYPERLINK /doc/5261296.html t _blank匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作，而這三者是計(jì)算機(jī)最基本的工作單元。C是結(jié)構(gòu)式語言：結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點(diǎn)是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦阌谑褂谩⒕S護(hù)以及調(diào)試。C 語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流

34、向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。C語言功能齊全：具有各種各樣的HYPERLINK /doc/1933730.html t _blank數(shù)據(jù)類型，并引入了指針概念，可使程序效率更高。而且計(jì)算功能、邏輯判斷功能也比較強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)決策目的的游戲12。C語言適用范圍大：適合于多種操作系統(tǒng)，如Windows、DOS、UNIX等等；也適用于多種機(jī)型。C語言對編寫需要硬件進(jìn)行操作的場合，優(yōu)于其它高級語言，有一些大型應(yīng)用軟件也是用C語言編寫的。C語言應(yīng)用指針：可以直接進(jìn)行靠近硬件的操作，但是C的指針操作不做保護(hù)，也給它帶來了很多不安全的因素。C+在這方面做了改進(jìn)，在保留了指針操作的同時(shí)又增強(qiáng)了安全性，受到了一些用

35、戶的支持，但是，由于這些改進(jìn)增加語言的復(fù)雜度，也為另一部分所詬病。Java則吸取了C+的教訓(xùn)，取消了指針操作，也取消了C+改進(jìn)中一些備受爭議的地方，在安全性和適合性方面均取得良好的效果，但其本身解釋在HYPERLINK /doc/272715.html t _blank虛擬機(jī)中運(yùn)行，運(yùn)行效率低于C+/C。一般而言，C，C+，java被視為同一系的語言，它們長期占據(jù)著程序使用榜的前三名。C語言文件由數(shù)據(jù)序列組成：可以構(gòu)成HYPERLINK /doc/1420585.html t _blank二進(jìn)制文件或文本文件常用的C語言IDE（集成開發(fā)環(huán)境）有Microsoft Visual C+，Dev-C

36、+，Code:Blocks，Borland C+，Watcom C+，Borland C+ Builder，GNU DJGPP C+，Lccwin32 C Compiler 3.1，High C，Turbo C，C-Free，HYPERLINK /doc/5507369.html t _blankwin-tc,xcode(mac os x）等13。C語言具有簡潔緊湊、靈活方便；運(yùn)算符豐富；數(shù)據(jù)類型豐富；代碼和數(shù)據(jù)分隔化；與發(fā)現(xiàn)只不太嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大；允許直接訪問物理地址，對硬件進(jìn)行操作；生成目標(biāo)代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高；以及適用范圍大，可移植性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。4.2 Keil軟件簡介Ke

37、il軟件是美國Keil Software 公司出品的51系列單片機(jī)C語言單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，同時(shí)也支持匯編語言。在其6.0以上的版本中將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為uVisio。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)程序。由工程管理器、源程序編輯器、程序調(diào)試器、A51匯編器、LIB51庫管理器、C51編譯器、RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Keil軟件使用接近于傳統(tǒng)c語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，C語言易學(xué)易用,而且大大的提高了工作效率和項(xiàng)目開發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，您可以在關(guān)鍵的位置嵌入，使程序達(dá)到接近于匯編的工作效率。C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，Vision與Is

38、hell分別是C51 for Windows 和for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境(IDE），可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。Keil軟件仿真開發(fā)的主要步驟：建立一個(gè)新的工程編寫源程序保存添加源文件進(jìn)新建工程設(shè)置工程編譯程序調(diào)試。這種簡單的操作方法使得非常易于掌握。首先選擇菜單Project-New project 選擇運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)行保存，再新建文檔File-New，將編寫完成的程序輸入，進(jìn)行保存。再將保存的文檔添加入新建工程，進(jìn)行編譯，在未出現(xiàn)錯(cuò)誤報(bào)告的情況下將生成HEX文件，該文件即可以下載到STM32芯片中進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。4.3 主要模塊程序分析對于一個(gè)周期信號而言，它通過

39、傅里葉變換得到的頻譜是穩(wěn)定的，在理想情況下任意兩次的譜線也是相同的。因此可通過對兩次采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換的頻譜相似度來判斷信號的周期性，如果結(jié)果穩(wěn)定且相似，我們便可以認(rèn)定為是周期信號，信號的周期就是基波周期，周期性判斷程序附錄1。頻譜顯示模塊主要功能是在LED液晶顯示屏上，顯示信號對應(yīng)的頻譜，計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)所對應(yīng)的幅值的高度，然后依次在LCD液晶顯示屏上顯示出來，程序設(shè)計(jì)見附錄2。快速傅里葉變換計(jì)算過程最重要的是碼位變換和蝶形運(yùn)算。碼位倒序要解決兩個(gè)問題，將t位二進(jìn)制數(shù)倒序，然后將倒序后的兩個(gè)存儲單元進(jìn)行交換。詳細(xì)的程序設(shè)計(jì)見附錄3。4.4 話筒頻譜特性測量儀軟件流程話筒頻譜特性測量主流程

40、如圖4-1所示，周期性測量流程如圖4-2所示，語音采集流程圖如圖4-3所示： 圖 圖4-1 主流程圖初始化模塊是否20Hz檔是否暫停返回檢測檔次暫停,不清屏不斷顯示更新數(shù)據(jù)設(shè)置為100Hz檔采樣數(shù)據(jù),存儲和進(jìn)行FFT運(yùn)算設(shè)置為20HZ檔NNYYNNYY 為了讓頻譜特性測量儀能夠適用于大多數(shù)的音頻分析場合，所以將頻率分辨能力設(shè)定為兩個(gè)檔位，假設(shè)頻率分辨力為100Hz和20Hz兩個(gè)檔。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，因此就需要對采集到的音頻信號進(jìn)行分檔。在20Hz檔時(shí)選擇40.96KHz采樣率，采集2048個(gè)點(diǎn)，而在100檔時(shí)

41、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，按此方法可以多次對信號進(jìn)行檢測分析，框圖如圖4-1；N顯示為非周期信號N顯示為非周期信號信號分析信號分析Y是否周期？Y是否周期？N捕捉上升沿計(jì)數(shù)N捕捉上升沿計(jì)數(shù)等待中斷下各上升沿到來？等待中斷下各上升沿到來？YY關(guān)閉終端計(jì)算頻率串口發(fā)送顯示頻率關(guān)閉終端計(jì)算頻率串口發(fā)送顯示頻率返回返回 圖4-2 周期性測量流程圖對于一般的音頻信號，其時(shí)域變化是不規(guī)則的，所以沒有周期性。所以需要對信號進(jìn)行周期性的分析，排除非周期信號，對周期性信號進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。該流程是對周期信號進(jìn)

42、行處理，對處理后發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器上，框圖如圖4-2所示：開始開始AD通道初始化AD通道選擇啟動(dòng)轉(zhuǎn)換中斷處理讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果返回圖圖4-3 語音采集流程圖5. 總結(jié)本文在研究了頻譜特性儀發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，明確了結(jié)合話筒作為音頻接收終端的研究方向。文章以STM32F103為控制核心搭建了一套智能化的簡易話筒頻譜特性測量儀，其中STM32F103芯片可以完成點(diǎn)陣顯示、FFT算法實(shí)現(xiàn)、功率計(jì)算、A/D轉(zhuǎn)換控制和增益選擇控制等功能。文中系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，功能電路實(shí)現(xiàn)完備，能較好地滿足話筒接收音頻的頻譜特性分析要求的各項(xiàng)指標(biāo)，對進(jìn)行語音模式識別具有重要意義。另外此次設(shè)計(jì)中使用的1664點(diǎn)陣式L

43、ED顯示屏設(shè)計(jì)，使用的88LED點(diǎn)陣模塊（一共16塊），在此次設(shè)計(jì)中通過查閱大量的相關(guān)資料，詳細(xì)了解了LED的發(fā)光原理和LED顯示屏的原理，電路還算簡單，但是已經(jīng)包涵了LED顯示屏的電路基本原理和基本程序，在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)該使顯示圖形和文字穩(wěn)定、清晰無串?dāng)_。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。本系統(tǒng)具有硬件相對較少，結(jié)構(gòu)相對簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。在本文研究的過程中，進(jìn)一步熟悉Keil及Protel 99se的使用，熟練掌握了WORD軟件的使用。進(jìn)一步提高了自己在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中研究問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。但是從中也存在不足之處，對知識的積累還不夠，有些問題自己不能

44、夠獨(dú)立解決，對操作還要進(jìn)一步熟練。今后進(jìn)一步工作在于制作話筒頻譜特性測量儀實(shí)物，并在實(shí)際生活環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，評價(jià)和調(diào)試所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能，只有這樣才能讓自己在不斷的學(xué)習(xí)中提高自己。參考文獻(xiàn)1 段麗娜.基于ARM的音頻頻譜顯示器的設(shè)計(jì)J.微型機(jī)與應(yīng)用,2014,(33)：46-55.2 曹楊,徐子軒,張佳斌等.基于聽診器音頻譜分析的數(shù)字聽診系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.電子器件,20013,(10)：87-89.3 胡煜,陳冬梅.基于嵌入式FFT的低成本高精度音頻頻譜儀J.科技信息,2007,(25)：93-94.4 劉欣,劉東亮.基于FPGA的多通道寬帶數(shù)字頻譜儀設(shè)計(jì)J.西藏大學(xué)學(xué)報(bào),2014，29(2)：113

45、-115.5 ALAN V.OPPENHEIM.信號與系統(tǒng)M.西安：西安交通大學(xué)出版社,2008：88-92.6 David R, Jennifer E, Sudipta S, etc. Simplified and economical 2D IR spectrometer design using a dual acousto-optic modulatorJ. Optik - International Journal for Light and Electron Optics. 2012(17)：199-205.7 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）M.北京：高等教育出版社,2005：1

46、05-111.8 布魯克斯.信號完整性與PCB設(shè)計(jì)M.北京：電子工業(yè)出版社,2012：179-185.9 譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)M.北京：清華大學(xué)出版社,1999：44-52.10 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略M.北京：電子工業(yè)出版社,2009：221-235.11馬忠梅.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200512劉欣銘,張廣斌. LED顯示屏技術(shù)綜述J.黑龍江電力，200313葛集彪. LED視頻顯示屏實(shí)時(shí)處理與驅(qū)動(dòng)技術(shù)D.南京理工大學(xué)，2003.14 孔海穎.電路設(shè)計(jì)教程：Protel起步與進(jìn)階M.北京：國防工業(yè)出版社,2007：2

47、7-33.15 麗鳳,王艷秋,張軍.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.北京：清華大學(xué)出版社，2004。16 胡燁,姚鵬義,陳明.protel99se原理圖與PCB設(shè)計(jì)教程M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社。17 Zelinski R.A. Microphone Array with Adaptive Post-filtering for Noise Reduction in Reverberant RoomsC. Proc Intl Conf on ASSP, ICASSP , 1998, (39)：334-337.18 陳德章,木樹娟,唐皓等.一種基于頻譜傳感的無線電頻譜測量系統(tǒng)J.中國無線電，2012,15(3)：21-23.19 陳華.DL1520型數(shù)字示波器在頻譜測量中的應(yīng)用J.計(jì)量技術(shù),2