描述

該項目用于使用 Arduino 制作 32 波段音頻（音樂）頻譜分析儀/可視化儀。該項目的預期受眾是對電子元件、Arduino 和 C 編程有基本了解的任何音頻愛好者、學生或初學者。該項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

• 使用易于安裝的庫“arduinoFFT”和“MD_MAX72xx”

• 支持五種不同的顯示模式，可以通過按鈕進行切換

• 左右聲道音頻信號混合，不錯過任何節(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）

• 32 x 8 LED 矩陣顯示器 - 1 無

• 按鈕開關 - 1 個（通常隨 Arduino 套件一起提供）

• 100nf 電容 - 2 個

• 5 千歐電阻器 - 3 個

• 10 千歐電阻 - 1 個

• 100 千歐電阻器 - 2 個非

• 5 伏電源（USB 電源即可）

電阻值不是很嚴格，您可以選擇任何最接近的值。請確保 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) 內置模數轉換器 (ADC)，此處用于將輸入音頻信號轉換為數字樣本。ADC 配置為以 38.46khz 的時鐘頻率對輸入信號進行采樣。這是通過將 ADC 預分頻器配置為 32 來實現(xiàn)的。38.64Khz 的采樣頻率意味著數字樣本可以再現(xiàn)高達 19.32Kz（奈奎斯特定理）的輸入頻率，這對于音頻信號來說已經足夠好了。

正如我在開頭提到的，該項目的預期目的是顯示音頻音樂信號的頻譜。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，這樣您就可以同時將相同的音樂輸入頻譜分析儀和另一個放大器（如果需要）。

ADC 配置為使用外部參考電壓。在這個項目中，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 輸出不會夾在輸入信號的負周期上。相同的 3.3v 穩(wěn)定電壓被兩個電阻器 R1 和 R2 分壓，然后饋入模擬輸入以實現(xiàn)直流偏置。使用此直流偏置，即使輸入信號斷開，ADC 也會在輸出中產生 512。在代碼的后面，這個由直流偏置引起的 512 被減去，這樣讀數就代表了實際的輸入信號變化。

ArduinoFFT 庫是將輸入模擬信號轉換為頻譜的代碼的核心。我發(fā)現(xiàn)這個庫易于使用，并為這個項目生成了最準確的輸出。原型被配置為制作 64 個樣本，并對這些樣本進行 FFT。ArduinoFFT 庫可以對 16 到 128 之間的樣本進行 FFT，這可以在程序中配置。但是 arduinoFFT 庫對于 128 個樣本的計算速度很慢，因此我堅持使用 64 個樣本中最好的最高值。

該項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單。該庫提供了打開/關閉該程序中正在使用的列中任意數量的 LED 的功能。每個頻段的振幅映射在 0 到 8 之間，具體取決于振幅對應的每列中 LED 的數量被打開。

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

頻率響應

系統(tǒng)的頻率響應是通過饋送由在線信號發(fā)生器網站之一生成的正弦波來測試的。經驗證，系統(tǒng)能夠響應高達 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/音樂系統(tǒng)的耳機輸出中獲取音頻。我不建議使用另一個麥克風來接收音頻，因為信號電平和頻率響應將取決于許多因素。

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/音樂系統(tǒng)的耳機輸出連接到頻譜分析儀的示例圖。當您將電纜連接到耳機輸出時，移動/音樂系統(tǒng)不會發(fā)出聲音。因此，如果您想在可視化的同時聽到音頻，您可能必須拆分音頻并使用另一個放大器。

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