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        基于C8051F060單片機(jī)語(yǔ)音信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

        2018-07-23 08:09:40東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院張夢(mèng)璐曹志民
        電子世界 2018年13期
        關(guān)鍵詞:通濾波程控增益

        東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 張夢(mèng)璐 曹志民 韓 建

        0 引言

        C8051F060單片機(jī)采用Silicon Lab的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。指令集兼容8051,與標(biāo)準(zhǔn)8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度卻有很大的提高[1]。內(nèi)部晶振25MHz,指令吞吐量可選25MIPS,片內(nèi)集成了兩個(gè)16位ADC,采樣速率可達(dá)到1Msps,含有DMA控制器接口,可自行存儲(chǔ)從內(nèi)部A/D傳出的數(shù)據(jù),不占用系統(tǒng)內(nèi)部資源,且不用程序控制,大大地提高了運(yùn)行的效率,因此非常適用于語(yǔ)音信號(hào)的分析。

        1 總體方案設(shè)計(jì)

        該系統(tǒng)主要包括以C8051F060單片機(jī)為核心的主控制電路,射極跟隨電路,程控增益放大電路,低通濾波電路,提升電路,SED1355圖形液晶顯示控制器控制的液晶顯示電路,外擴(kuò)RAM及鍵盤輸入等。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

        系統(tǒng)采用NE5532構(gòu)成前級(jí)射隨電路,采用AD7520構(gòu)成中級(jí)程控增益放大電路,末級(jí)低通濾波電路。前級(jí)射隨,中間程控放大,末級(jí)低通濾波電路構(gòu)成單片機(jī)的外圍電路。AD7520經(jīng)由單片機(jī)控制,利用單片機(jī)內(nèi)部A/D采樣,通過(guò)控制放大器內(nèi)部可控電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)較寬的輸入電壓范圍。利用128K-8bit高速靜態(tài)外擴(kuò)RAM 71V124,可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的處理。采用鍵盤顯示芯片7279實(shí)現(xiàn)鍵盤的管理及控制。

        圖1 系統(tǒng)框圖

        2 主要單元電路設(shè)計(jì)

        2.1 程控增益放大電路

        本文應(yīng)用AD7520作為程控增益放大器,通過(guò)其內(nèi)部可控電阻網(wǎng)絡(luò),通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部A.D采樣進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)可控增益調(diào)節(jié),達(dá)到輸入信號(hào)電壓范圍:20mV~5V。

        根據(jù)運(yùn)算放大器虛地原理,可以得到:

        式中,R為外加反饋電阻。

        所以增益放大倍數(shù):

        2.2 低通濾波電路

        對(duì)于輸入的信號(hào),會(huì)含有很豐富的高次頻譜分量,必須將它們?yōu)V除,才能得到頻譜純凈的低頻音頻信號(hào)[2],因此要求低通濾波器,這里采用了NE5532設(shè)計(jì)濾波電路。

        2.3 提升電路

        由于AD采樣不能為負(fù),故采用加法電路將信號(hào)電平抬高,VREF1為單片機(jī)內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)。電路如圖2所示。

        圖2 提升電路

        3 軟件部分

        本系統(tǒng)的軟件部分利用FFT傅里葉變換[3]對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析和處理。軟件設(shè)計(jì)的流程如圖3所示。

        圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

        本文所用的計(jì)算公式分別為:

        (a)總功率為采集所有電壓值的平方求和除以序列點(diǎn)數(shù)

        式中,N為采集點(diǎn)數(shù)。

        (b)經(jīng)FFT后,幅度譜

        (c)幅度譜對(duì)應(yīng)頻率

        (d)各頻率點(diǎn)功率

        (e)總功率

        (f)失真度

        表1 測(cè)試結(jié)果

        4 測(cè)試結(jié)果

        本文確定的采樣頻率為20480Hz,采樣點(diǎn)數(shù)為1024,頻率分辨力為20Hz,系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

        Pt為時(shí)域計(jì)算功率,Pf為頻域計(jì)算功率,Vpp為信號(hào)峰值電壓,f1為基波頻率,P1為基波功率,f2,f3分別為二次和三次諧波,P2,P3分別為二次和三次諧波功率。總功率測(cè)量的相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于1%。

        從表1可以看出,本系統(tǒng)對(duì)低頻信號(hào)的各項(xiàng)指標(biāo)均能很精確的測(cè)量,頻率步進(jìn)為20Hz,對(duì)功率測(cè)量的精確度達(dá)到0.5%以上。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文所設(shè)計(jì)的語(yǔ)音信號(hào)分析儀經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果表明,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足實(shí)際應(yīng)用需要,具有分辨率高,測(cè)試準(zhǔn)確,性能穩(wěn)定,抗干擾能力強(qiáng),誤差比較小,完全滿足語(yǔ)音信號(hào)的實(shí)時(shí)分析與顯示要求,有著廣闊的應(yīng)用前景。

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