為了提高電聲測儀試參數(shù)測量的精確度，針對電聲測試儀校準(zhǔn)設(shè)計了一款基于DDS芯片的精密信號源。該信號發(fā)生器采用直接數(shù)字合成技術(shù)，包括STM32最小系統(tǒng)、DDS芯片系統(tǒng)、帶通濾波器模塊以及數(shù)字電位器。利用STM32控制濾波器模塊對于DDS模塊產(chǎn)生信號的諧波成分和噪聲進(jìn)行濾除，實現(xiàn)高精度的正弦波信號的產(chǎn)生，以便于電聲測試儀系統(tǒng)測量精度的提高。通過對數(shù)字電位器的控制，實現(xiàn)了電聲測試儀對于信號不同幅值的需求。
中文引用格式： 周靜雷，尹曉東，馮源. 用于電聲測試儀的精密信號源設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(11)：104-107，116.
英文引用格式： Zhou Jinglei，Yin Xiaodong，F(xiàn)eng Yuan. Precision signal source design for electroacoustic testing[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(11)：104-107，116.
測試儀器校準(zhǔn)是保證儀器測量工作準(zhǔn)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(yáng)聲器壽命試驗是指對揚(yáng)聲器進(jìn)行各種標(biāo)準(zhǔn)的功率測試，通過加速壽命試驗對揚(yáng)聲器的各項電參量進(jìn)行測量分析。電聲測試系統(tǒng)在工作中需要用標(biāo)準(zhǔn)信號對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)[2-3]，標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計利用高性能的DDS[4]芯片產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的精密信號源，利用帶通濾波器，信號調(diào)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。
1.1 電聲測試系統(tǒng)驗簡介
電聲測試儀包括揚(yáng)聲器功率試驗儀、揚(yáng)聲器綜合測試儀、掃頻儀以及揚(yáng)聲器阻抗儀等。電聲測試系統(tǒng)是利用標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)過信號調(diào)理電路，然后經(jīng)過功率放大器驅(qū)動揚(yáng)聲器工作。電聲測試儀就是通過測量揚(yáng)聲器相關(guān)的電參量來判斷揚(yáng)聲器的品質(zhì)。能夠在對揚(yáng)聲器相關(guān)參數(shù)測試的同時，在線監(jiān)測揚(yáng)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(yīng)、靈敏度等參數(shù)的測量來判斷揚(yáng)聲器是否發(fā)生故障，以及發(fā)生故障時相關(guān)參數(shù)的變化，以便于分析揚(yáng)聲器設(shè)計和制造工藝和制造工藝上的缺陷。1.2 電聲測試儀校準(zhǔn)
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(yùn)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(yáng)聲器功率試驗開始前，需要對各個模塊的參數(shù)進(jìn)行測量標(biāo)定，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行存儲，并且通過I2C通信傳往上位機(jī)。對于揚(yáng)聲器壽命試驗系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，是利用精度很高的校準(zhǔn)信號源對于系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過對相關(guān)繼電器的控制，來對運(yùn)算放大器、程控放大器、信號衰減電路的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量。所以，穩(wěn)定性高、精度高、諧波成分小的校準(zhǔn)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(shè)計
本設(shè)計采用嵌入式系統(tǒng)，由下位機(jī)軟件和硬件電路組成[5]。下位機(jī)軟件是對于STM32進(jìn)行程序編寫，包括對于DDS芯片的驅(qū)動程序、濾波模塊的時鐘信號源的驅(qū)動和控制、數(shù)字電位器模塊的驅(qū)動程序設(shè)計以及上位機(jī)通信的I2C從機(jī)程序設(shè)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(diào)理電路和數(shù)字電位器組成。在整個系統(tǒng)中，上位機(jī)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(jī)，然后通過下位機(jī)I2C接收程序解析指令，控制DDS芯片產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波信號。然后經(jīng)過帶通濾波器進(jìn)行雜波濾除，再通過數(shù)字電位器[6]電路實現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)[7]。 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(shù)，具有相對帶寬大、頻率轉(zhuǎn)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(diào)制器、波形數(shù)據(jù)表以及D/A 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。其中相位累加器由N位加法器與N位寄存器構(gòu)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(jié)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(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到D/A 轉(zhuǎn)換器，由D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(yīng)用中一般為24~32)，相當(dāng)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1/2N。輸出頻率為Fout=Fclk/2N，這個頻率相當(dāng)于“基頻”。輸出頻率為Fout=B×Fclk/2N。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fo。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(dāng)系統(tǒng)輸入時鐘頻率Fclk不變時，輸出信號頻率由頻率控制字M所決定，且B=2N×Fout/Fclk。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。硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)包括對各個模塊的電路進(jìn)行設(shè)計并且完成PCB設(shè)計以及電路的焊接調(diào)試工作。硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用單獨(dú)的MCU控制信號發(fā)生器模塊，并且和揚(yáng)聲器的主控模塊采用I2C協(xié)議進(jìn)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(guān)電容濾波器電路和信號調(diào)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(bǔ)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(diào)節(jié)達(dá)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(shè)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(shè)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?qū)D9850產(chǎn)生的信號進(jìn)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(shè)計采用的是開關(guān)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(guān)電容濾波器。通過對外圍電路的設(shè)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(diào)理電路
信號調(diào)理電路由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器和程控衰減電路組成。運(yùn)算放大器和程控衰減電路共同作用來調(diào)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(zhuǎn)換電路由低零漂高精度運(yùn)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?。電流電壓轉(zhuǎn)換電路是將DAC8801輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。程控衰減電路由DAC8801構(gòu)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(zhǔn)，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(dāng)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(guān)系。
程序設(shè)計主要是針對于下位機(jī)程序設(shè)計，主要包含對STM32系統(tǒng)的相關(guān)配置，以及AD9850、DAC8801、I2C從機(jī)的程序編寫。其中AD9850驅(qū)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(shè)置，以及I2C接收到的AD9850控制字的接收和寫入到AD9850相關(guān)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(zhuǎn)移40位的編程信息，40位的信息轉(zhuǎn)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(qū)動程序編寫和AD9850類似，需要對芯片進(jìn)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(guān)的STM32庫函數(shù)的調(diào)用、相關(guān)端口的初始化、以及I2C接收函數(shù)、讀寫函數(shù)以及相關(guān)的指令解析函數(shù)的編寫。下位機(jī)程序流程圖如圖7所示。5.1 輸出信號時域分析
作為標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行頻域分析。5.2 輸出信號頻域分析
作為校準(zhǔn)信號源，單頻信號頻率成分是精密信號源的重要指標(biāo)之一。在電聲測試儀校準(zhǔn)過程中需要純度特別高的正弦波信號作為激勵。因此，在設(shè)計精密信號源的過程中需要測試多項性能指標(biāo)，以滿足揚(yáng)聲器功率試驗儀校準(zhǔn)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(fù)頻域波形成分進(jìn)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(shè)計能夠?qū)敵鲂盘柗档木€性控制，為了測試程控數(shù)字電位器輸出的準(zhǔn)確性，利用高精度萬用表對于輸出信號的幅值進(jìn)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(shè)計在幅值控制上滿足設(shè)計要求。本設(shè)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(zhǔn)信號源，極大地提高了揚(yáng)聲器功率試驗系統(tǒng)在校準(zhǔn)過程中的精確性。利用模塊化設(shè)計，并采用I2C總線結(jié)構(gòu)通信，有利于揚(yáng)聲器功率試驗系統(tǒng)的升級換代。本設(shè)計針對于揚(yáng)聲器試驗系統(tǒng)的校準(zhǔn)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)信號源，也可滿足通信領(lǐng)域等方面的應(yīng)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)。參考文獻(xiàn)
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作者信息:
周靜雷，尹曉東，馮 源
(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048)
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