描述

該項(xiàng)目用于使用 Arduino 制作 32 波段音頻（音樂）頻譜分析儀/可視化儀。該項(xiàng)目的預(yù)期受眾是對(duì)電子元件、Arduino 和 C 編程有基本了解的任何音頻愛好者、學(xué)生或初學(xué)者。該項(xiàng)目中使用的組件成本低，易于組裝。

該頻譜分析儀的主要特點(diǎn)

• 使用易于安裝的庫“arduinoFFT”和“MD_MAX72xx”

• 支持五種不同的顯示模式，可以通過按鈕進(jìn)行切換

• 左右聲道音頻信號(hào)混合，不錯(cuò)過任何節(jié)拍

• 原型使用 32x8 LED 矩陣顯示，可以更改和輕松修改

• 音頻可以從耳機(jī)輸出或音樂系統(tǒng)/放大器的線路輸出饋送

所需組件

• Arduino Nano 或 Uno（我嘗試使用 Nano 和 Uno，也必須使用其他型號(hào)）

• 32 x 8 LED 矩陣顯示器 - 1 無

• 按鈕開關(guān) - 1 個(gè)（通常隨 Arduino 套件一起提供）

• 100nf 電容 - 2 個(gè)

• 5 千歐電阻器 - 3 個(gè)

• 10 千歐電阻 - 1 個(gè)

• 100 千歐電阻器 - 2 個(gè)非

• 5 伏電源（USB 電源即可）

電阻值不是很嚴(yán)格，您可以選擇任何最接近的值。請(qǐng)確保 R1 和 R2（參考原理圖）具有相同的值。

程序流程圖

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系統(tǒng)說明

Arduino 板 (ATmega328P) 內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，此處用于將輸入音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字樣本。ADC 配置為以 38.46khz 的時(shí)鐘頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。這是通過將 ADC 預(yù)分頻器配置為 32 來實(shí)現(xiàn)的。38.64Khz 的采樣頻率意味著數(shù)字樣本可以再現(xiàn)高達(dá) 19.32Kz（奈奎斯特定理）的輸入頻率，這對(duì)于音頻信號(hào)來說已經(jīng)足夠好了。

正如我在開頭提到的，該項(xiàng)目的預(yù)期目的是顯示音頻音樂信號(hào)的頻譜。因此，左右音頻通道混合在一起并饋入 ADC 的 A0 模擬輸入。您可以使用音頻分離器電纜，這樣您就可以同時(shí)將相同的音樂輸入頻譜分析儀和另一個(gè)放大器（如果需要）。

ADC 配置為使用外部參考電壓。在這個(gè)項(xiàng)目中，參考電壓來自 Arduino 板上的 3.3v 穩(wěn)定電壓源。由于模擬信號(hào)在零電壓電平之上和之下振蕩，我們需要在 ADC 的模擬輸入端提供直流偏置。這可確保 ADC 輸出不會(huì)夾在輸入信號(hào)的負(fù)周期上。相同的 3.3v 穩(wěn)定電壓被兩個(gè)電阻器 R1 和 R2 分壓，然后饋入模擬輸入以實(shí)現(xiàn)直流偏置。使用此直流偏置，即使輸入信號(hào)斷開，ADC 也會(huì)在輸出中產(chǎn)生 512。在代碼的后面，這個(gè)由直流偏置引起的 512 被減去，這樣讀數(shù)就代表了實(shí)際的輸入信號(hào)變化。

ArduinoFFT 庫是將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻譜的代碼的核心。我發(fā)現(xiàn)這個(gè)庫易于使用，并為這個(gè)項(xiàng)目生成了最準(zhǔn)確的輸出。原型被配置為制作 64 個(gè)樣本，并對(duì)這些樣本進(jìn)行 FFT。ArduinoFFT 庫可以對(duì) 16 到 128 之間的樣本進(jìn)行 FFT，這可以在程序中配置。但是 arduinoFFT 庫對(duì)于 128 個(gè)樣本的計(jì)算速度很慢，因此我堅(jiān)持使用 64 個(gè)樣本中最好的最高值。

該項(xiàng)目中使用的顯示器是 32 列 x 8 行 LED 矩陣。MD_MAX72xx 庫使顯示控制部分變得非常簡(jiǎn)單。該庫提供了打開/關(guān)閉該程序中正在使用的列中任意數(shù)量的 LED 的功能。每個(gè)頻段的振幅映射在 0 到 8 之間，具體取決于振幅對(duì)應(yīng)的每列中 LED 的數(shù)量被打開。

本程序提供了五種顯示模式，基本上是通過打開/關(guān)閉每列不同位置的LED來實(shí)現(xiàn)的。您可以輕松修改/創(chuàng)建不同的模式。這里使用一個(gè)按鈕來改變顯示模式。每按一次顯示模式就會(huì)移動(dòng)到下一個(gè)，最后重置回默認(rèn)模式。按鈕連接到其中一個(gè)數(shù)字輸入，并且在每一輪顯示刷新后掃描該輸入。

頻率響應(yīng)

系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是通過饋送由在線信號(hào)發(fā)生器網(wǎng)站之一生成的正弦波來測(cè)試的。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠響應(yīng)高達(dá) 18.6Khz 的頻率。

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連接輸入

您可以通過多種方式將音頻輸入饋入此頻譜分析儀。您可以將 LINE 的音頻輸出從音樂系統(tǒng)/放大器中取出。另一種選擇是從移動(dòng)/音樂系統(tǒng)的耳機(jī)輸出中獲取音頻。我不建議使用另一個(gè)麥克風(fēng)來接收音頻，因?yàn)樾盘?hào)電平和頻率響應(yīng)將取決于許多因素。

這是將放大器/音樂系統(tǒng)的 LINE 連接到頻譜分析儀的示例圖。

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下面是將移動(dòng)/音樂系統(tǒng)的耳機(jī)輸出連接到頻譜分析儀的示例圖。當(dāng)您將電纜連接到耳機(jī)輸出時(shí)，移動(dòng)/音樂系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出聲音。因此，如果您想在可視化的同時(shí)聽到音頻，您可能必須拆分音頻并使用另一個(gè)放大器。

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