0 引言

    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(yàn)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(yàn)對揚(yáng)聲器的各項(xiàng)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(shí)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(yàn)簡介

    電聲測試儀包括揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(shí)現(xiàn)幅值調(diào)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(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(diǎn)^[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(shí)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1/2^N。輸出頻率為F_out=F_clk/2^N,，這個頻率相當(dāng)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(dāng)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(shí)現(xiàn)

    硬件系統(tǒng)的實(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(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,。

4 程序設(shè)計

    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 結(jié)果分析

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(xiàng)性能指標(biāo)，以滿足揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)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(shí)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。

6 結(jié)論

    本設(shè)計基于嵌入式,，實(shí)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(yàn)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(yàn)系統(tǒng)的升級換代,。本設(shè)計針對于揚(yáng)聲器試驗(yàn)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(shí)現(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)