0 引言

    測試儀器校準是保證儀器測量工作準確性的重要條件^[1]。對于電聲測試儀器來說也是如此。例如揚聲器壽命試驗是指對揚聲器進行各種標準的功率測試，通過加速壽命試驗對揚聲器的各項電參量進行測量分析。電聲測試系統(tǒng)在工作中需要用標準信號對儀器進行校準^[2-3]，標準的信號源對于提高電聲測試系統(tǒng)的精度尤為重要。傳統(tǒng)的信號源產(chǎn)生的信號諧波成分較多，這對電聲測試的精度影響非常大。本設計利用高性能的DDS^[4]芯片產(chǎn)生標準的精密信號源，利用帶通濾波器，信號調理電路以及程控衰減電路，實現(xiàn)高精度正弦信號的產(chǎn)生。

1 電聲測試系統(tǒng)

1.1 電聲測試系統(tǒng)驗簡介

    電聲測試儀包括揚聲器功率試驗儀、揚聲器綜合測試儀、掃頻儀以及揚聲器阻抗儀等。電聲測試系統(tǒng)是利用標準信號經(jīng)過信號調理電路，然后經(jīng)過功率放大器驅動揚聲器工作。電聲測試儀就是通過測量揚聲器相關的電參量來判斷揚聲器的品質。能夠在對揚聲器相關參數(shù)測試的同時，在線監(jiān)測揚聲器的電流、電壓、直流阻、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、阻抗曲線、諧振頻率、諧振阻抗、頻率響應、靈敏度等參數(shù)的測量來判斷揚聲器是否發(fā)生故障，以及發(fā)生故障時相關參數(shù)的變化，以便于分析揚聲器設計和制造工藝和制造工藝上的缺陷。

1.2 電聲測試儀校準

    電聲測試儀系統(tǒng)在做數(shù)據(jù)處理時需要精確的電路參數(shù)，比如說運算放大器和程控放大器的放大倍數(shù)，還有電壓采集模塊中的衰減倍數(shù)。揚聲器功率試驗開始前，需要對各個模塊的參數(shù)進行測量標定，對相關參數(shù)進行存儲，并且通過I²C通信傳往上位機。對于揚聲器壽命試驗系統(tǒng)的相關參數(shù)進行測量，是利用精度很高的校準信號源對于系統(tǒng)進行校準，通過對相關繼電器的控制，來對運算放大器、程控放大器、信號衰減電路的相關參數(shù)進行測量。所以，穩(wěn)定性高、精度高、諧波成分小的校準信號源對于提高系統(tǒng)的精確性非常重要。

1.3 精密信號源整體方案設計

    本設計采用嵌入式系統(tǒng)，由下位機軟件和硬件電路組成^[5]。下位機軟件是對于STM32進行程序編寫，包括對于DDS芯片的驅動程序、濾波模塊的時鐘信號源的驅動和控制、數(shù)字電位器模塊的驅動程序設計以及上位機通信的I²C從機程序設計。如圖1所示，硬件電路主要是由控制電路STM32最小系統(tǒng)和濾波器模塊、信號調理電路和數(shù)字電位器組成。在整個系統(tǒng)中，上位機通過I2C通信，將產(chǎn)生信號的頻率和相位控制字發(fā)往下位機，然后通過下位機I2C接收程序解析指令，控制DDS芯片產(chǎn)生相應的正弦波信號。然后經(jīng)過帶通濾波器進行雜波濾除，再通過數(shù)字電位器^[6]電路實現(xiàn)幅值調節(jié)^[7]。 

2 信號源系統(tǒng)原理

2.1 DDS基本原理

    本信號源系統(tǒng)信號發(fā)生模塊采用DDS芯片AD9850，AD9850采用DDS原理，即直接數(shù)字合成器。DDS是一種新型的數(shù)字頻率合成技術，具有相對帶寬大、頻率轉換時間短、分辨率高和相位連續(xù)性好等優(yōu)點^[8]。如圖2所示，DDS主要由相位累加器、相位調制器、波形數(shù)據(jù)表以及D/A 轉換器構成。其中相位累加器由N位加法器與N位寄存器構成。在時鐘上升沿，加法器將頻率控制字與累加寄存器輸出的相位數(shù)據(jù)相加，相加的結果反饋至累加寄存器。相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位。相位累加器的溢出頻率，就是DDS輸出的信號頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器的相位采樣地址，這樣就可以把存儲在波形存儲器里的波形采樣值經(jīng)查表找出，完成相位到幅度的轉換。波形存儲器的輸出送到D/A 轉換器，由D/A轉換器將數(shù)字信號轉換成模擬信號輸出。

2.2 DDS產(chǎn)生正弦波基本流程

    DDS信號流程示意圖^[9]如圖3所示。這里相位累加器位數(shù)為N位(N的取值范圍實際應用中一般為24~32)，相當于把正弦信號在相位上的精度定義為N位，所以其分辨率為1/2^N。輸出頻率為F_out=F_clk/2^N，這個頻率相當于“基頻”。輸出頻率為F_out=B×F_clk/2^N。因此理論上由以上三個參數(shù)就可以得出任意的輸出頻率f_o。且可得出頻率分辨率由時鐘頻率和累加器的位數(shù)決定。參考時鐘頻率越高，累加器位數(shù)越高，輸出頻率分辨率就越高。從上式分析可得，當系統(tǒng)輸入時鐘頻率F_clk不變時，輸出信號頻率由頻率控制字M所決定，且B=2^N×F_out/F_clk。其中B為頻率控制字且只能取整數(shù)。這里頻率控制字取32位，相位控制字取其中8位。圖3所示為正弦波產(chǎn)生的簡化示意圖。

3 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)

    硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)包括對各個模塊的電路進行設計并且完成PCB設計以及電路的焊接調試工作。硬件結構采用模塊化結構設計，采用單獨的MCU控制信號發(fā)生器模塊，并且和揚聲器的主控模塊采用I²C協(xié)議進行通信，這樣便于信號源的升級換代。本系統(tǒng)由STM32最小系統(tǒng)、AD9850、開關電容濾波器電路和信號調理電路組成。

3.1 AD9850及外圍電路

    AD9850是美國ADI公司生產(chǎn)的高度集成的DDS芯片，能夠輸出兩個互補的模擬電流信號，并且AD9850產(chǎn)生的信號幅值只有2 V左右，且為單極性，而測試的時候需要的是雙極性的正弦波信號，因此DDS輸出的信號還要經(jīng)過隔直和放大、電壓跟隨，最后再通過幅值調節(jié)達到理想的信號。如圖4所示，采用125 MHz的晶振用來支持AD9850的正常工作，在AD9850的輸出端設計LC低通濾波器和隔直電路，輸出雙極性的正弦波信號。

3.2 濾波器模塊電路設計

    為了提高產(chǎn)生信號的精確度和單頻信號的純凈性，采用了一款適用于音頻信號的低通濾波器^[10]，能夠將AD9850產(chǎn)生的信號進行濾波處理，濾除掉在信號產(chǎn)生過程中的高頻諧波信號^[11]以及電路帶來的噪聲。本次設計采用的是開關電容濾波器LMF100，LMF100有兩個功能相同、低功耗、低電壓、動態(tài)范圍廣的二階開關電容濾波器。通過對外圍電路的設計，外接不同的電阻電容可以實現(xiàn)低通濾波、帶通濾波、高通濾波。如圖5所示，由LMF100接成的四階帶通濾波器，采用雙電源供電模式，外部時鐘信號，由AD9850產(chǎn)生的方波提供，由于AD9850產(chǎn)生的方波上限頻率為1 MHz，因此選取LMF100工作方式為模式1，中心頻率和時鐘信號1:50，輸入信號范圍0.1 Hz~50 kHz。

3.3 信號調理電路

    信號調理電路由運算放大器構成的電壓跟隨器和程控衰減電路組成。運算放大器和程控衰減電路共同作用來調節(jié)輸出信號的幅值，使幅值能夠根據(jù)實際需要輸出不同幅值的信號。如圖6所示，電壓跟隨電路以及電流電壓轉換電路由低零漂高精度運算放大電路組成。其中電壓跟隨器優(yōu)點是輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小，這樣能使信號完全傳輸?shù)胶蠹墶ｋ娏麟妷恨D換電路是將DAC8801輸出的電流信號轉換為電壓信號。程控衰減電路由DAC8801構成。DAC8801是一款14位高速串行DAC，作為程控衰減器使用，以輸入信號為基準，通過控制字來改變輸出信號的幅值。其中控制字為0~2¹⁴-1之間的整數(shù)，當參考電壓一定時，輸出信號的大小和控制字成正比例。式(1)為輸入信號和輸出信號，控制字之間的關系。

4 程序設計

    程序設計主要是針對于下位機程序設計，主要包含對STM32系統(tǒng)的相關配置，以及AD9850、DAC8801、I²C從機的程序編寫。其中AD9850驅動程序包括對STM32的GPIO口的配置以及芯片狀態(tài)的初始化設置，以及I²C接收到的AD9850控制字的接收和寫入到AD9850相關寄存器里。AD9850包含一個40位的寄存器，用于編程和斷電使用。這個寄存器可以裝載并行或者串行模式。本次采用串行數(shù)據(jù)加載方式，在W_CLK的第一個上升沿，通過引腳25轉移40位的編程信息，40位的信息轉移后，通過FQ_UP的一個脈沖來請求更新輸出頻率或者相位。其中，40位控制字包括32位頻率控制字以及8位相位控制字。DAC8801驅動程序編寫和AD9850類似，需要對芯片進行初始化操作以及控制字寫入到芯片的寄存器。I2C程序包括對I2C相關的STM32庫函數(shù)的調用、相關端口的初始化、以及I2C接收函數(shù)、讀寫函數(shù)以及相關的指令解析函數(shù)的編寫。下位機程序流程圖如圖7所示。

5 結果分析

5.1 輸出信號時域分析

    作為標準信號源，產(chǎn)生的信號沒有明顯的失真是最基本的要求之一，在信號源的測試過程中，首先需要用示波器觀測信號源在使用濾波前后的時域波形對比。如圖8所示，由于示波器分辨率不是很高，看不出濾波前后的區(qū)別，因此使用AP(音頻信號分析儀)對信號FFT變換，進行頻域分析。

5.2 輸出信號頻域分析

    作為校準信號源，單頻信號頻率成分是精密信號源的重要指標之一。在電聲測試儀校準過程中需要純度特別高的正弦波信號作為激勵。因此，在設計精密信號源的過程中需要測試多項性能指標，以滿足揚聲器功率試驗儀校準時的需要。如圖9所示，對信號源輸出1 kHz經(jīng)過帶通濾波^[12]前后做FFT變換，對復頻域波形成分進行對比，可以發(fā)現(xiàn)諧波成分明顯變少，信號源在頻域上滿足要求。

5.3 信號幅度測試

    本設計能夠對輸出信號幅值的線性控制，為了測試程控數(shù)字電位器輸出的準確性，利用高精度萬用表對于輸出信號的幅值進行測試。如表1所示，產(chǎn)生1 kHz的正弦波信號，改變DAC8801的控制字，利用萬用表得到一組數(shù)據(jù)，產(chǎn)生信號的有效值理論值和實際輸出基本相符，信號源設計在幅值控制上滿足設計要求。

6 結論

    本設計基于嵌入式，實現(xiàn)了頻率可控、幅值可控的高精度的正弦波校準信號源，極大地提高了揚聲器功率試驗系統(tǒng)在校準過程中的精確性。利用模塊化設計，并采用I2C總線結構通信，有利于揚聲器功率試驗系統(tǒng)的升級換代。本設計針對于揚聲器試驗系統(tǒng)的校準設計的標準信號源，也可滿足通信領域等方面的應用。對于更高精度的需求，可以選擇高性能的DDS芯片以及更高性能的帶通濾波器，更高位的數(shù)字電位器。對于高性能多通道信號發(fā)生器也可采用高性能的FPGA來實現(xiàn)。

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作者信息:

周靜雷，尹曉東，馮  源

(西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048)