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/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 來實現的。38.64Khz 的采樣頻率意味著數字樣本可以再現高達 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。我發現這個庫易于使用，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來實現的。您可以輕松修改/創建不同的模式。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

系統的頻率響應是通過饋送由在線信號發生器網站之一生成的正弦波來測試的。經驗證，系統能夠響應高達 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/放大器中取出。另一種選擇是從移動/音樂系統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/音樂系統不會發出聲音。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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