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基于STM32的音频信号分析设计与实现

发布者:zhanglaoshi        发布时间:2019-08-21 11:35:29

基于 STM32 的音频信号分析设计与实现

作者:梁方舟李金泉黄训磊王玉花来源:《现代电子技术》2014 年第 01 期

摘要:

基于 ARM Cortex⁃ M3 内核的 32 位处理器 STM32F103 和快速傅里叶变换(FFT) 算法实现了音频信号频谱的分析。

整个系统由前级信号调理、A/D 采样电路、CPU 运算电路和 LCD 显示电路等组成。实验表明,系统能够检测 20 Hz~10 kHz 范围内的频率成份并显示音频信号频谱,该方案成本低,具有一定的应用价值。

关键词:

音频信号;

FFT;

STM32;

基⁃ 4 时间抽取

中图分类号:

TN911.7⁃ 34 文献标识码:

A 文章编号:

1004⁃ 373X(2014)01⁃ 0019⁃ 03

音频信号分析应用于音频制作、信号分析等领域,如音频设备的研发与生产、低频信号的综合分析等。本设计利用频谱分析原理来分析被测音频信号的频率、频谱,传统的频谱分析方法有扫频法、数字滤波法。采用 STM32 实现快速傅里叶变换(FFT)设计方案,通过 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。

1 系统设计

音频信号通过前级信号处理电路放大和滤波及模数转换,经 STM32 进行 FFT 运算后获得信号的频谱,单片机控制 A/D 转换器实时采集信号,频谱在液晶屏扫描显示。单片机采用 ST 公司的低功耗 STM32F103ZET6

32 位单片机,其内部含有 3 个 12 位 16 通道 A/D 转换模块和 2 个 12 位 D/A 转换模块。系统框图如图 1 所示。

1.1 信号调理与采集

设计思想:为满足输入信号较大的动态范围,必须在信号进行 A/D 转换前进行合理的处理,使其在 A/D 量化范围内达到量化精度最高,该方法相当于 AD 位数的增加。本设计要求输入信号幅度范围(峰⁃ 峰值)为 0.01 mV~10 V,即 100 dB 的输入信号动态范围。设定 ADC 芯片的最小输入信号峰⁃ 峰值为 500 mV,再设定 ADC 的输入动态范围为 20lg(10 V/500 mV),即 26 dB,故需要 5 路放大电路,每一路放大倍数固定,分别为 62

400,8

000,400, 20,1 倍。由于设计小信号放大的增益较大,放大器的选择尤为关键,根据影响放大器输出的主要参数:运放的增益带宽积、噪声电压密度、噪声电流密度、失调电流和失调电压等,选择 TI 公司生产的运放 OPA637,该运放增益带宽积约 800 MHz,输入换算电压噪声密度为[4.5 nVHz,]输入偏置电流 2 pA,输入失调电压 130 μV。具体电路如图 2 所示。

图 1 系统框图

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