基于单片机的音频信号分析仪_毕业设计论文

基于单片机的音频信号分析仪_毕业设计论文内容摘要：

阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份绝对值相等而符号相反。 这种匹配条件称为共扼匹配。 阻抗匹配是电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。 在史密夫图表上， 电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿着代表实数电阻的圆圈走动。 如果把电容或电感接地，首先图表上的点会以图中心旋转 180 度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转 180 度。 重覆以上方法直至电 阻值变成 1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。 前级放大模块主要由跟随器 AD620 及一些电阻构成， AD620 是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为 1 至10,000。 封装图 图 AD620 引脚 其中 8 脚需跨接一电阻来调整放大倍率， 7 脚需提供正负相等的工作电压，由 3 脚接输入的放大的电压即可从 6 脚输出放大后的电压值。 5 脚则是参考基准，如果接地则第 6 脚的输出为输出与地之间的相对电压。 AD620 采用 8 引脚 SOIC 和 DIP 封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅 mA)，因此非常适合电池供电的便携式 (或远程 )应用。 AD620 具有高精度、低失调电压和低失调漂移特性。 它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性， 使之非常适合 一些 医疗应用。 由于其输入级采用 Superβeta 处理，因此可以实现最大 nA 的低输入偏置电流。 AD620 在 1 kHz 时具有 9 nV/Hz 的低输入电压噪声，在 Hz 至10 Hz 频带内的噪声为 ，输入电流噪声为 pA/ Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。 同时， AD620 的 %建立时间为 15μs，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。 9 AD620 由传统的三运算放大器发展而成 , 但一些主要性能却优于三运算放 大器构成的仪表放大器的设计 , 如电源范围宽 (177。 2. 3～ 177。 18 V ) , 设计体积小 , 功耗非常低 (最大供电电流仅 1. 3 mA ) , 因而适用于低电压、低功耗的应用场合。 图 AD620 原理示意图 AD620 的单片结构和激光晶体调整 , 允许电路元件紧密匹配和跟 踪 , 从而保证电路固有的高性能。 AD620 为三运放集成的仪表放大器结构 , 为保护增益控制的高精度 , 其输入端的三极管提供简单的差分双极输入 , 并采用β工艺获得更低的输入偏置电流 , 通过输入级内部运放的反馈 , 保持输入三极管的集电极电流恒定 , 并使输入电压加到外部增益控制电阻 RG 上。 AD620 的两个内部增益电阻为 24. 7 kΩ , 因而增益方程式为 G= /RG+1 （ 21） 对于所需的增益 , 则外部 控制电阻值为 RG=（ G1） kΩ (22) 由式（ 21），（ 22）可知，通过控制外部控制电阻可以调节放大电路的不同放大倍数。 信号输入后通过 R5,R6 两个 100Ω 的电阻和一个高精度仪表运放 AD620 实现跟随作用，由于理想运放的输入阻抗为无穷大，所以输入阻抗即为： R5//R6=50Ω。 阻抗匹配后的音频信号从 100mv~5v，要求 对于 一些 小信号，首先需要经过 10 前级放大才能避免误差和干扰， 然后对信号的幅度进 行调整 ， 再对信号进行采集。 通过继电器控制是对信号直接送给 AD 转换还是放大后再进行 AD 转换。 10KR3Res2100R1Res2100R2Res2526R812345678U?AD620AN 12345678U?AD620AN5V5V5v5v+5v10KR4Res212JP2HEADER 2S?SW DPDTAF 图 阻抗匹配和放大电路图 AD 转换及控制模块电路设计 模数转换器即 A/D 转换器，或简称 ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。 通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。 由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。 故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。 而输出的数 字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。 模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。 转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。 A/D 转换一般要经过采样、保持、量化及编码 4 个过程。 在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。 模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换，简称 A/D(Analog to Digital)转换；完成模数转换的电路被称为 A/D 转换器，简 称 ADC(Analog to Digital Converter)。 数字量转换成模拟量的过程称为数模转换， 简称 D/A(Digital to Analog)转换；完成数模转换的电路称为 D/A 转换器，简称DAC(Digital to Analog Converter)。 模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入 AD 转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由 DA 转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。 为了保证数据处理结果的准确性， AD 11 转换器和 DA 转换器必须有足够的转换精度。 同时，为了适应快速过程的控制 和检测的需要， AD 转换器和 DA 转换器还必须有足够快的转换速度。 因此，转换精度和转换速度乃是衡量 AD 转换器和 DA 转换器性能优劣的主要标志。 模数转换过程包括量化和编码。 量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。 编码是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。 最普通的码制是二进制，它有 2 的 n 次方个量级（ n 为位数） ,可依次逐个编号。 模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。 直接法是直接将电压转换成数字量。 它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐 位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡。 控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。 先使二进位制数的最高位 Dn1=1，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压 VS，与输入电压 Vin 相比较，若 VinVS,则保留这一位；若 VinVS，则 Dn1=0。 然后使下一位 Dn2=1,与上一次的结果一起经数模转换后与 Vin 相比较 ,重复这一过程，直到使 D0=1，再与 Vin 相比较 ,由 VinVS 还是 VinVS 来决定是否保留这一位。 经过 n 次比较后， n位寄存器的状态即为转换后的数据。 这种直接逐位比较型（ 又称反馈比较型）转换器是一种高速的数模转换电路，转换精度很高，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。 它在计算机接口电路中用得最普遍。 间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量 ,再由中间量转换成数字。 常用的有电压 时间间隔 (V/T)型和电压 频率 (V/F)型两种，其中电压 时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。 模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度。 用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构， 随着大规模集成电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路。 对于一个 12 位的电压模数转换器，如果将参考设为 1V，那么输出的 12 信号有 212 种编码，分别代表输入电压在 0V1/4096V,...,4095/4096V1V 时的对应输入。 分为 4096 个等级编码，当一个 1V 的信号输入时，转换器输出的数据为 111111111111。 为了提高系统的精度， AD 转换芯片我选用的是新型 12 位串行模数转换器ADS7819,它具有自动关断和快速唤醒功能 ,且内部集成有采样 /保持电路。 同时具有转换速率高、功耗低等 优点 ,特别适合于由电池供电且对体积和精度有较高要求的智能仪器仪表产品。 5vIN1AGND12REF3CAP4AGND25D116D107D98D89D710D611D512D413DGND14V+28VD+27V26BUSY25CS24R/C23222120NC19D018D117D216D315U?ADS7819U+5v5vCLOCKAF100pFC11100pFC822nFC922nFC10897101311126215161718*LCP2148100R11sign in 图 AD 转换及控制模块 控制 器 设计 控制器采用 LPC2148 单片机，实现数据处理、与 FPGA 通讯以及人机交 换。 LPC2148 是一个基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的的 32 位 ARM 的 cpu 微处理器，并带有丰富的中断源、可编程的 I/O 口及友好的调试环境为我们的设计提供了方便。 在存储器资源方面， LPC2148 内嵌 32K 的静态 RAM 和 512K 的闪存（ Flash），可供存储扫描所得的频 率点幅值，而不用外置存储器，节省了存储时间，方便对数据进行处理；在处理速度方面，采用了流水线（ pipe line）构架，它的 CPU 时钟可达 60MHz，较高的处理速度使其能够非常容易地、地进行 FFT运算。 LPC2148 通过片内 boot 装载程序软件实现在系统内的编程 ，单个 Flash 扇区或整片擦除时间为 400ms， LPC2148 提供 8kb 的片内 RAM，可通过 DMA 访问 USB,2 个 10 位 ADC 转换器，提供总共 14 路模拟输入，每个通道的转换时间低至。 LPC2148 具有 2 个 32 位定时器 ∕外部事件计数器（ 带 4 路捕获和 4路比较通道）、 PWM 单元（ 6 路输出 ）和看门狗，低功耗实时时钟具有 独立的电源和特定的 32KHZ 时钟输入。 LPC2148 具有多个串行接口，包括 2 个 UART(16C550)， 2 个高速总线， SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的 SSP，向量中断控制器（ VIC）可配置优先级和向量地址，片内集成振荡器和外部晶体的操作频率范围为 1Mhz～ 25Mhz，并可通过个别使能∕禁止外围功能和外围时钟分频来优化额外功耗，也可以通过外部中断或 BOD 将处理器从掉电模式中唤醒。 13 系统电源电路设计 根据系统的要 求，本系统需要 +5v,5v， +12v， 12v 两种电压，考虑到实际调试情况和电路的升级，在系统电源设计的时候加上了正负电压可调的电源电路。 直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。 其中+5v,5v 两种电压由稳压芯片 CW7805 和 CW7905 产生，正负可调电压由 LM317和 LM337 产生 ； +12v， 12v 的正负电压由 MC7812 产生 T?D?Bridge1C510nFC410nFC12200nFC22200nFC10C3C4C7C8Vout VmGnd*7905VoutVmGnd*7805VoutVmGnd*LM317Vout VmGnd*LM337D?1N751AD?1N751A200R4R3200C92KR51KR61KR2R1+5v5v 图 177。 5v 的系统电源系统 T1IN13OUT2GNDU4MC7812KIN13OUT2GNDU7MC7812KC71uFC9C81uFC10D1GND+12V12VD14D15 图 177。 12v 的 系统电源电路 第三章 系统软件设计 Keil 集成环境开发 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的。