Анализатор спектра звуковых частот на основе FFT и Arduino: схема и программа

Анализатор спектра – это измерительное оборудование, которое для проведения анализа спектра использует быстрое преобразование Фурье (FFT - Fast Fourier Transform). Осуществление анализа Фурье возможно в случаях, когда непрерывный временной интервал может быть преобразован в непрерывный частотный интервал, в котором будет содержаться информация об амплитудах и фазах частотных компонентов.

Представленный в данной статье анализатор спектра звуковых частот построен на основе платы Arduino. Устройство состоит из сравнительно небольшого числа компонентов.

Необходимые компоненты

Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
ЖК дисплей с разрешением 128х64 пикселов (ST7920 128x64 LCD) (купить на AliExpress).
Резистор 10 кОм (2 шт.) (купить на AliExpress).
Однооборотный потенциометр 10 кОм (single-turn potentiometer) (купить на AliExpress).
Конденсатор 1 мкФ (купить на AliExpress).

Реклама: ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН: 7703380158

Если вы раньше не работали с графическим дисплеем, используемом в данном проекте, то на нашем сайте вы можете прочитать статью про подключение графического ЖК дисплея ST7920 к плате Arduino.

Работа схемы

Схема анализатора спектра звуковых частот на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

Аудио сигнал в данной схеме подается на аналоговый контакт A0 платы Arduino, смещение рабочей (средней точки) на этом контакте обеспечивается с помощью потенциометра 10 кОм. Таким образом, рабочую точку можно регулировать от 0 до +5V. Также на входе схемы можно установить потенциометр для управления амплитудой входного сигнала.

Код программы использует библиотеку "fix_fft", которая предназначена для анализа спектра сигналов с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Собранную конструкцию проекта мы упаковали в удобную коробку. Данный анализатор спектра нельзя назвать профессиональным инструментом поскольку он имеет низкое разрешение и частотный диапазон, но для образовательных целей он подойдет отлично.

Исходный код программы (скетча)

#include "U8glib.h"
#include "fix_fft.h"


// LCD SPI SCK-EN, MOSI-RW & SS-CS

#define EN 6
#define RW 5
#define CS 4
// display set up, bar, line position L & R
#define LINEY 50
#define LINEXL 0
#define LINEXR 128

#define SAMPLES 128

#define AUDIO A0

U8GLIB_ST7920_128X64_1X lcd(EN, RW, CS); // serial use, PSB = GND

char im[SAMPLES];
char data[SAMPLES];
int barht[SAMPLES];

void setup()
{
  lcd.begin(); // inti display
  
}

void loop()
{
  static int i, j;
  int val;
  

  // get audio data
  for(i = 0; i < SAMPLES; i++)
  {
    val = analogRead(AUDIO); // 0-1023
    data[i] = (char)(val/4 - 128); // store as char
    im[i] = 0; // init all as 0
  }


  // run FFT
  fix_fft(data, im, 7, 0);

  // extract absolute value of data only, for 64 results
  for(i = 0; i < SAMPLES/2; i++)
  {
    barht[i] = (int)sqrt(data[i] * data[i] + im[i] * im[i]);
  }
  
  for(i = 0, j = 0; i < SAMPLES/2; i++, j += 2)
  {
    barht[i] = barht[j] + barht[j + 1];
  }
  
  // display barchart
  barchart(SAMPLES/4, barht); // plot SAMPLES / 4 = 32 as barchart gen cannot handle 128 bars
} 

// plot line and bar at position and height
void barchart(int n, int bh[])
{
  int i, s, w; // bars, spacing and width
  
  s = (LINEXR - LINEXL) / n;
  w = s / 2;
  
  lcd.firstPage();
  do
  {
    lcd.setFont(u8g_font_helvR08);
    lcd.drawStr(20, 10, "FFT Audio Spectrum");
    lcd.drawLine(LINEXL, LINEY, LINEXR, LINEY);
    lcd.drawStr(0, LINEY + 10, "0");
    lcd.drawStr(29, LINEY + 10, "1k");
    lcd.drawStr(59, LINEY + 10, "2k");
    lcd.drawStr(91, LINEY + 10, "3k");
    lcd.drawStr(115, LINEY + 10, "Hz");
    
    for(i = 0; i < n; i++)
    {
      lcd.drawBox(LINEXL + s * i, LINEY - bh[i], w, bh[i] + 1); // u8glib doesn't accept box height of 0
    }
      
  }while(lcd.nextPage()); 
}

#include "U8glib.h"

#include "fix_fft.h"

// LCD SPI SCK-EN, MOSI-RW & SS-CS

#define EN 6

#define RW 5

#define CS 4

// display set up, bar, line position L & R

#define LINEY 50

#define LINEXL 0

#define LINEXR 128

#define SAMPLES 128

#define AUDIO A0

U8GLIB_ST7920_128X64_1X lcd(EN, RW, CS); // serial use, PSB = GND

char im[SAMPLES];

char data[SAMPLES];

int barht[SAMPLES];

void setup()

{

lcd.begin(); // inti display

}

void loop()

{

static int i, j;

int val;

// get audio data

for(i = 0; i < SAMPLES; i++)

{

val = analogRead(AUDIO); // 0-1023

data[i] = (char)(val/4 - 128); // store as char

im[i] = 0; // init all as 0

}

// run FFT

fix_fft(data, im, 7, 0);

// extract absolute value of data only, for 64 results

for(i = 0; i < SAMPLES/2; i++)

{

barht[i] = (int)sqrt(data[i] * data[i] + im[i] * im[i]);

}

for(i = 0, j = 0; i < SAMPLES/2; i++, j += 2)

{

barht[i] = barht[j] + barht[j + 1];

}

// display barchart

barchart(SAMPLES/4, barht); // plot SAMPLES / 4 = 32 as barchart gen cannot handle 128 bars

}

// plot line and bar at position and height

void barchart(int n, int bh[])

{

int i, s, w; // bars, spacing and width

s = (LINEXR - LINEXL) / n;

w = s / 2;

lcd.firstPage();

{

lcd.setFont(u8g_font_helvR08);

lcd.drawStr(20, 10, "FFT Audio Spectrum");

lcd.drawLine(LINEXL, LINEY, LINEXR, LINEY);

lcd.drawStr(0, LINEY + 10, "0");

lcd.drawStr(29, LINEY + 10, "1k");

lcd.drawStr(59, LINEY + 10, "2k");

lcd.drawStr(91, LINEY + 10, "3k");

lcd.drawStr(115, LINEY + 10, "Hz");

for(i = 0; i < n; i++)

{

lcd.drawBox(LINEXL + s * i, LINEY - bh[i], w, bh[i] + 1); // u8glib doesn't accept box height of 0

}

}while(lcd.nextPage());

}

Видео, демонстрирующее работу анализатора спектра

На видео представлен анализ нескольких различных видов сигналов с помощью спроектированного анализатора спектра.

При синусоидальном входном сигнале несущую хорошо видно и если частота входного сигнала изменяется, то положение несущей на экране анализатора также смещается.

При подаче на вход сигнала прямоугольных импульсов на экране анализатора хорошо виден основной сигнал, а также три нечетные гармоники - x3, x5 & x7.