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(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 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(diào)理電路，然后經(jīng)過功率放大器驅(qū)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(zhì),。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(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(diào)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(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^[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(diào)試工作,。硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)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(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?qū)D9850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(diào)理電路

    信號調(diào)理電路由運算放大器構(gòu)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(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，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(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(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(diào)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(jié)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?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(jié)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(jié)構(gòu)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),。

參考文獻

[1] 刁振軍.電聲器件測試儀類儀器的校準方法研究[J].無線互聯(lián)科技，2018,，15(6)：101-102.

[2] 王浩.多功能揚聲器功率試驗系統(tǒng)設計[D].西安：西安工程大學,，2018.

[3] 王亞磊，周靜雷.基于AD9850和MAX7490用于儀器校準信號源電路的設計[J].電聲技術(shù),，2018,，42(5)：52-56.

[4] 刁振軍.電聲器件測試儀類儀器的校準方法研究[J].無線互聯(lián)科技，2018,，15(6)：101-102.

[5] 南楠,，趙立新.基于FPGA的DDS信號源研究與設計[J].沈陽工程學院學報(自然科版)，2016,，12(1)：74-82.

[6] 張林行,，尚小虎，趙美聰,，等.一種基于FPGA的DDS信號源實現(xiàn)[J].微型電腦應用,，2015，31(12)：16-18,，4.

[7] 喻勇，姚志成,，楊劍,，等.基于DDS的多路可控中頻信號源設計[J].電子器件，2015,，38(4)：853-857.

[8] 陳威,，李太全，余新華,，等.基于AD8368的DDS信號源輸出信號幅值控制電路設計[J].無線電工程,，2015，45(2)：77-80.

[9] 孫瑩瑩,，盧京陽,，劉思久，等.基于DDS與數(shù)字電位器的正弦信號發(fā)生器設計[J].電測與儀表,，2012,，49(7)：93-96.

[10] 曹宏胤.高精度電壓/電流校準儀的研究[D].長沙：國防科學技術(shù)大學，2006.

[11] 高琴,，姜壽山,，魏忠義.基于FPGA的DDS信號源設計與實現(xiàn)[J].西安工程科技學院學報，2006(2)：210-214.

[12] 姚福安,，徐衍亮.高性能多階有源帶通濾波器設計[J].電子測量與儀器學報,，2005,，19(2)：20-25.

[13] 王群，姚為正,，王兆安.低通濾波器對諧波檢測電路的影響[J].西安交通大學學報,，1999(4)：9-12，16.

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)