音乐频谱-电路图
led音乐频谱显示课程设计
led音乐频谱显示课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解LED音乐频谱显示的原理，掌握基础电子元件的功能和使用方法。
2. 学生能掌握编程控制LED灯亮灭的基本技巧，了解与音乐频谱显示相关的编程知识。
3. 学生能够解释简单电路的工作原理，并了解如何将其与音乐信号相结合。
技能目标：1. 学生能够设计并搭建简单的LED音乐频谱显示装置，进行功能测试和调试。
2. 学生通过实践操作，掌握使用编程软件对LED音乐频谱进行编程控制的能力。
3. 学生能够通过团队合作，解决在制作过程中遇到的技术难题。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对电子技术和编程的兴趣，激发创新思维和探索精神。
2. 学生在团队协作中，学会相互尊重、支持和沟通，培养合作精神。
3. 学生能够认识到科技在音乐领域的应用，提高对科技与艺术融合的认识，培养审美情趣。
本课程针对初中年级学生，结合电子技术和编程知识，以实践性、趣味性和创新性为特点。
在教学过程中，注重培养学生的动手能力、逻辑思维和团队协作能力，使学生在实践中掌握知识，提高技能，培养良好的情感态度价值观。
通过分解课程目标为具体的学习成果，为教学设计和评估提供明确方向。
二、教学内容1. 电子元件基础知识：讲解电阻、电容、二极管、三极管等基础电子元件的功能和用途，结合教材相关章节，让学生了解电子元件在电路中的作用。
2. LED灯特性与应用：介绍LED灯的基本特性，如亮度、颜色、电压等，并讲解其在音乐频谱显示中的应用。
3. 电路原理与设计：教授简单电路的搭建方法，分析音乐频谱显示电路的原理，指导学生设计符合需求的电路图。
4. 编程知识：结合教材，教授Arduino编程基础知识，如变量、循环、条件语句等，并讲解如何利用编程控制LED灯的亮灭。
5. 音乐信号处理：介绍音乐信号的特点，如何从音频信号中提取频谱信息，以及如何将频谱信息与LED灯亮度对应起来。
6. 实践操作：安排学生进行分组实践，每组设计并搭建一个LED音乐频谱显示装置，通过编程和调试，实现音乐频谱的实时显示。
第5章-频谱的线性搬移电路
一、非线性函数的级数展开分析法
1、非线性函数的泰勒级数 非线性器件的伏安特性,可用下面的非线性函数来表示:
i f (u)
(5-1)
式中, u为加在非线性器件上的电压。一般情况下,
u＝EQ+u1+u2, 其中EQ为静态工作点, u1和u2为两个输入电 压。用泰勒级数将式（5-1）展开, 可得
i a0 a1(u1 u2 ) a2 (u1 u2 )2 an (u1 u2 )n
3、正弦波振荡器
反馈式振荡器的平衡条件，三点式振荡器的起振判断条件，电路 结构，克拉泼，西勒电路的计算，晶体振荡器的特点等。
下面学习频率变换电路电路，包括频谱的线性搬移和非线 性搬移电路及其应用。
《高频电子线路》
1
第5章 频谱的线性搬移电路
第5章 频谱的线性搬移电路
5.1 非线性电路的分析方法 5.2 二极管电路 5.3 差分对电路 5.4 其它频谱线性搬移电路
即有
i I0(t) g(t)u1
（5-14)
可见，非线性器件的输出电流与输入电压的关系类似于线 性系统，但其系数却是时变的，故叫做线性时变电路。
2、线性时变参数分析法的应用
考虑u1和u2都是余弦信号, u1＝U1cosω1t, u2＝U2cosω2t, 故I0(t) 、g(t)也为周期性函数,可用傅里叶级数展开,得：
I0 (t) f (EQ U2 cos2t) I00 I01 cos2t I02 cos 22t （5-15） g(t) f (EQ U2 cos2t) g0 g1 cos2t g2 cos 22t (5-16)
《高频电子线路》
16
第5章 频谱的线性搬移电路
两个展开式的系数可直接由傅里叶系数公式求得
一种基于STM32F103C8T6单片机DSP库的音乐频谱
2020年软 件2020, V ol. 41, No. 4一种基于STM32F103C8T6单片机DSP 库的音乐频谱谢志平（广东省技师学院，广东 惠州 516100）摘 要: 利用STM32单片机内部的DSP 库功能，将外部输入的音乐信号放大后再送入单片机内部的A/D 转换器，运用STM32内部DSP 库功能进行FFT 运算，采用中断扫描技术，将音乐信号的频谱在32X64全彩点阵屏进行显示，能对音乐信号的频谱进行简单的分析，实现多种随音乐节奏舞动的视觉效果。
关键词: 单片机；DSP 库；FFT ；中断扫描技术中图分类号: TP3 文献标识码: A DOI ：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.04.042本文著录格式：谢志平. 一种基于STM32F103C8T6单片机DSP 库的音乐频谱[J]. 软件，2020，41（04）：200 202+228A Music Spectrum Based on DSP Library of STM32F103C8T6 MicrocontrollerXIE Zhi-ping(Guangdong technician college, huizhou 516100, China )【Abstract 】: Use of STM32 MCU internal DSP library function, the music of external input signal amplification and then sent into single chip microcomputer internal A/D converter, use STM32 internal DSP library functions for FFT arithmetic, using interrupt scanning technology, the music signal spectrum in 32 x64 lattice screen for display, full-color to simple music signal spectrum analysis, realize the visual effect of A variety of dance with the music rhythm.【Key words 】: Single chip microcomputer; DSP library; FFT; Interrupt scanning technique0 引言任何周期函数，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的叠加。
基于单片机的音频频谱显示器的研究与开发
1
音频信号，这个音频信号再经功放模块由扬声器驱动播放音乐。
同时，音频信号又作为输入信号接到另外一个单片机系统，此单片机系统主要是完成音频信号的模数转换，并由内部软件通过快速傅里叶算法，实现音频信号在频域上的分析，最后量化输出，由LED点阵显示出频谱变化。
三、研究指向内容与过程
（一）研究指向
1. 降低设计、制作以及成品的成本；
2. 提高音频频谱与音乐的匹配度；
3. 开发电子产品专业课程的实训资源，使实训资源与生活相结合，便于电子专业学生的
学习与研究。
（二）研究内容
1、硬件设计
单片机我们选用STC12C5A60S2。
STC 公司的单片机不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，其中STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASHROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。
而且STC 系列单片机支持串口程序烧写。
本设计系统由单片机模块、音频采集模块、滤波模块、按键模块、功放模块和显示模块六部分组成，如图1所示。
图1 音频频谱显示器的系统结构图
硬件电路图如图2所示，使用音频采集模块对输入的音频信号进行采样，经过FFT变换，然后取某些频率项的幅值，量化显示，驱动LED点阵，点亮相应的LED灯，其中显示模块即LED频谱显示电路。
图2左上方是滤波模块以及功放模块的设计，左下方是单片机模块的电路设计，右侧是LED频谱显示电路的设计。
其中，音频功放芯片选用8002，它是两个OTL电路桥式连接为BTL工作方式的音频功放。
2
3。
单片机实现音乐频谱
图二 MCU 部分的原理图
） （ 灯 吸呼 键摸触
色 ： ：： 颜
图三 点阵驱动电路图 (三) 编程思路
1) 在主函数中，单片机通过 AD 对音频数据采样，然后存放到数据缓存区进行预处理，完成 AD 滤波 处理，自动增益控制信息扫描以及其他信息处理。接着，将缓存区数据送入 快速傅立叶变换（FFT） 处理子函数进行运算。处理完后，从缓存区取出运算结果，根据得到幅值计算出点阵的显示数据， 并存储到显示缓存区。
a) 采用 USB 接口供电，并且对 USB 接口进行了扩展。在没有额外占用电脑主机 USB 接口情况下， 随时随地给系统供电；
b) 加入了触摸键设计，以及震动反馈。当触摸键响应时有震动反馈，及声光提示，如今很多触屏手 机也有这种时尚设计;
c) 加入 ThinkPad 笔记本上的经典呼吸灯指示设计。如夏日里的萤火虫，一闪一闪亮晶晶，不仅有趣 还能指示系统工作状态；
好的声音效果，其各段频率成分应该有一定的比例，录音的时候，录音师操作调音台就可以使各 段频率的成分得到调整。由于各种乐器的基频高低是不同的，所以，也可以使各种乐器之间的声音比 例得到调整，常见的是把频率由低至高分成 5 段或 7 段、10 段或 15 段，有经验的录音师或音乐家能听 出哪里（哪个频率段）“空”了，即这个频段弱。哪里“鼓了个包”，即这个频段过强。通过均衡器可 以把这些予以弥补。又因为每个人对音乐中频率分布的欣赏标准是不同的，因此，各位录音师掌握的 尺度也不同，显示出各自的风格。
小贴士（1）： 根据 STC12A32S2 单片机的资源情况，最多只有 1280B RAM，我们取 64 点的 FFT 就可以满足要求，还
基于51单片机的LED点阵音乐频谱显示器
１ ３ ７
基于 ５ １ 单片机的 Ｌ Ｅ Ｄ点阵音乐频谱显示器
Ｌ Ｅ Ｄ Ｄｏ ｔ Ｍａ ｔ ｒ ｉ ｘ Ｄｉ ｓ ｐｌ ａ ｙ Ｍｕ ｓ ｉ ｃ Ｓｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ５１ Ｓｉ ｎ ｇｌ ｅ Ｃｈ ｉ ｐ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ
ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｕ ｎ ｉ ｔ ｓ ． ｓ ｏ ｕ ｎ ｄ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｕ ｎ ｉ ｔ Ｓ Ｔ Ｃｌ ２ Ｃ ５ Ａ ６ ０ Ｓ ２ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ Ｆ Ｆ ． ｒ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ．
实 现 音 乐频 谱 。
关键词 ： Ｓ Ｔ Ｃ ｌ ２ Ｃ ５ Ａ ６ ０ Ｓ ２ ， 数 字信 号 处理 ， 傅里叶变换 ， 源程 序 ， 仿 真 与调 试
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ
Ｔ ｈ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ － ｃ ｈ ｉ ｐ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｓ ｔ ｏ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｍｕ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ
李逸 家 （ 华南农业大学珠江学院， 广东 广州 ５ １ ０ ９ ０ ０ ）
摘 要
．
通 过 使 用 单 片机 原 理 ， 利 用数 字信 号 理 论 ， 使 音 乐频 谱 分 析 在 单 片机 上 的 实现 。 系 统 包括 ： 声 音 接 收模 块 ， 声 音 转 换 模 块和 Ｌ Ｅ Ｄ 组 成 的点 阵显 示单 元 。 其 中声 音采 集模 块 ， 是利用 Ｓ Ｔ Ｃ１ ２ Ｃ５ Ａ ６ ０ Ｓ ２单 片机 中 的声 音 采 集 和 Ａ ／ Ｄ转 换 。 音 频 的模 拟信号 通过声音采 集模块接 收到 ， 经过 Ａ ／ Ｄ转 换 系统 ， 转换为数 字信号 ， 送给 下一级 处理单元 处理 。声音转换模 块利 用 Ｓ Ｔ Ｃｌ ２ Ｃ５ Ａ ６ ０ Ｓ ２单 片机 内部 的 资 源 ， 进行 Ｆ Ｆ Ｔ处 理 。显 示模 块接 收 ＡＤ转 换 后 的信 号 ， 控 制 ５组 ， 总共 有 ５ ５个 Ｌ Ｅ Ｄ灯泡 ， 分别完成显示。 Ｌ Ｅ Ｄ 灯 的 明 暗条 件 ， 是 随 着 音 乐的 频 率 变化 所 决 定 的 ， 随 时更 新 做 出相 应 的 变化 ， 通过 视 觉 上 的 灯光 显 示 以
第5章__频谱的线性搬移电路
依此可以推断，输出电流i中将包含下列通式表示的无限 多个频率组合分量
p ,q p1 q2
(5―10)
第5章 频谱的线性搬移电路
p ,q p1 q2
(5―10)
式中，p，q=0、1、2 …，称p + q为组合分量的阶数。 综上所述，当多个信号作用于非线性器件时，其输出 端不仅包含了输入信号的频率分量，还有输入信号频率的 各次谐波分量（pω 1、qω 2、rω 3…）以及输入信号频率的 组合分量（± pω1 ± qω2 ± rω3 ± …）。
n 0
n 0
n为偶数
n为奇数
i bnU1n cos n1t
n 0
式中，bn为an和cosnω 1t的分解系数的乘积。
可见，当一个单一频率（ω 1）的信号作用于非线性器件时，在输 出电流中不仅有ω1成分，还有nω1（n=2,3,…）分量（新频率分量）。
第5章 频谱的线性搬移电路
(2) 当u1、u2都不为零时，输出电流中不仅有两个输入
第5章 频谱的线性搬移电路
第5章 频谱的线性搬移电路
5.1 非线性电路的分析方法 5.2 二极管电路 5.3 差分对电路 5.4 其它频谱线性搬移电路
第5章 频谱的线性搬移电路
频谱搬移：指对输入信号进行的频谱变换（产生新的 频率分量），以获得具有所需频谱的输出信号。 频谱的线性搬移：搬移前后各频率分量的比例关系不
第5章 频谱的线性搬移电路
5.1.1 非线性函数的级数展开分析法 非线性器件的伏安特性,可用下面的非线性函数来表示:
i f (u )
式中,u为加在非线性器件上的电压。一般情况下, u＝EQ+u1+u2,其中EQ为静态工作点,u1和u2为两个输入电压。
42频谱搬移电路的基本工作原理2012421
Mα Ωt
Vm-----假设-uAM(t)= Vm cosωct= 2(1+ MαcosΩt)cosωct
00
900
1800
2700
3600
cosΩt
1
0
—1
0
1
Mα＝1：
4
2
0
2
4
Mα＞1—设 Mα=3 ； 8
2
-4
2
8
Mα＜1，设 Mα＝0.2 2.4
2
1.6
2
2.4
AM的三种情况(见下图)： Mα＞1：过调制，波形已失真（包络不能如实反映基带信号幅度），不用 Mα＝1：临界调制（与失真仅一线之隔，参数略有变化就失真，也不用）； Mα＜1：正常调幅，最常用（实验时一般Mα：20%——40%）
从调幅波的频谱图可知，唯有它的上、下边带分量才实际地 包含调制信号的频谱结构，而载波分量仅是起到频谱搬移的作用， 不反映调制信号的变化规律。
2020/2/16
14
上、下边频的平均功率均为
P
边频
1 2 RL
( mUC 2
)2
m2 4
Pc
AM信号的平均功率
Pav
1
2
Pd t
Pc
100%
23
4.2.4 AM信号的实现模型----工作原理
调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也 就是说都需要用非线性器件(电路)来完成频率变换。
这里将调制信号vΩ与载波信号vω0加入非线性器件，然后 通过中心频率为ω0的带通滤波器取出输出电压vo中的调幅波成 分。
具体原理与电路在第三节讲述
n
1 2