文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190767
中文引用格式: 周靜雷,尹曉東,,馮源. 用于電聲測(cè)試儀的精密信號(hào)源設(shè)計(jì)[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.
0 引言
測(cè)試儀器校準(zhǔn)是保證儀器測(cè)量工作準(zhǔn)確性的重要條件[1]。對(duì)于電聲測(cè)試儀器來(lái)說(shuō)也是如此,。例如揚(yáng)聲器壽命試驗(yàn)是指對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行各種標(biāo)準(zhǔn)的功率測(cè)試,,通過(guò)加速壽命試驗(yàn)對(duì)揚(yáng)聲器的各項(xiàng)電參量進(jìn)行測(cè)量分析。電聲測(cè)試系統(tǒng)在工作中需要用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)[2-3],,標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)源對(duì)于提高電聲測(cè)試系統(tǒng)的精度尤為重要,。傳統(tǒng)的信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)諧波成分較多,這對(duì)電聲測(cè)試的精度影響非常大,。本設(shè)計(jì)利用高性能的DDS[4]芯片產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的精密信號(hào)源,,利用帶通濾波器,信號(hào)調(diào)理電路以及程控衰減電路,,實(shí)現(xiàn)高精度正弦信號(hào)的產(chǎn)生,。
1 電聲測(cè)試系統(tǒng)
1.1 電聲測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)簡(jiǎn)介
電聲測(cè)試儀包括揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)儀、揚(yáng)聲器綜合測(cè)試儀,、掃頻儀以及揚(yáng)聲器阻抗儀等,。電聲測(cè)試系統(tǒng)是利用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路,然后經(jīng)過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作,。電聲測(cè)試儀就是通過(guò)測(cè)量揚(yáng)聲器相關(guān)的電參量來(lái)判斷揚(yáng)聲器的品質(zhì),。能夠在對(duì)揚(yáng)聲器相關(guān)參數(shù)測(cè)試的同時(shí),在線監(jiān)測(cè)揚(yáng)聲器的電流,、電壓,、直流阻、有功功率,、無(wú)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(cè)量來(lái)判斷揚(yáng)聲器是否發(fā)生故障,,以及發(fā)生故障時(shí)相關(guān)參數(shù)的變化,以便于分析揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)和制造工藝和制造工藝上的缺陷,。
1.2 電聲測(cè)試儀校準(zhǔn)
電聲測(cè)試儀系統(tǒng)在做數(shù)據(jù)處理時(shí)需要精確的電路參數(shù),,比如說(shuō)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(kāi)始前,,需要對(duì)各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定,對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ),,并且通過(guò)I2C通信傳往上位機(jī),。對(duì)于揚(yáng)聲器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,是利用精度很高的校準(zhǔn)信號(hào)源對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),,通過(guò)對(duì)相關(guān)繼電器的控制,,來(lái)對(duì)運(yùn)算放大器、程控放大器,、信號(hào)衰減電路的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,。所以,穩(wěn)定性高,、精度高,、諧波成分小的校準(zhǔn)信號(hào)源對(duì)于提高系統(tǒng)的精確性非常重要。
1.3 精密信號(hào)源整體方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)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(duì)于STM32進(jìn)行程序編寫(xiě),包括對(duì)于DDS芯片的驅(qū)動(dòng)程序,、濾波模塊的時(shí)鐘信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)和控制,、數(shù)字電位器模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及上位機(jī)通信的I2C從機(jī)程序設(shè)計(jì)。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(hào)調(diào)理電路和數(shù)字電位器組成。在整個(gè)系統(tǒng)中,,上位機(jī)通過(guò)I2C通信,,將產(chǎn)生信號(hào)的頻率和相位控制字發(fā)往下位機(jī),然后通過(guò)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(hào),。然后經(jīng)過(guò)帶通濾波器進(jìn)行雜波濾除,再通過(guò)數(shù)字電位器[6]電路實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)[7],。
2 信號(hào)源系統(tǒng)原理
2.1 DDS基本原理
本信號(hào)源系統(tǒng)信號(hào)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(duì)帶寬大,、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)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(hào)的相位,。相位累加器的溢出頻率,,就是DDS輸出的信號(hào)頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的相位采樣地址,,這樣就可以把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)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(chǔ)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(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出,。
2.2 DDS產(chǎn)生正弦波基本流程
DDS信號(hào)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(hào)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(gè)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(gè)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(shí)鐘頻率和累加器的位數(shù)決定,。參考時(shí)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(shí)鐘頻率Fclk不變時(shí),,輸出信號(hào)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(jiǎn)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(duì)各個(gè)模塊的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)并且完成PCB設(shè)計(jì)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(jì),采用單獨(dú)的MCU控制信號(hào)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(hào)源的升級(jí)換代。本系統(tǒng)由STM32最小系統(tǒng),、AD9850,、開(kāi)關(guān)電容濾波器電路和信號(hào)調(diào)理電路組成。
3.1 AD9850及外圍電路
AD9850是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的高度集成的DDS芯片,,能夠輸出兩個(gè)互補(bǔ)的模擬電流信號(hào),,并且AD9850產(chǎn)生的信號(hào)幅值只有2 V左右,且為單極性,,而測(cè)試的時(shí)候需要的是雙極性的正弦波信號(hào),,因此DDS輸出的信號(hào)還要經(jīng)過(guò)隔直和放大、電壓跟隨,,最后再通過(guò)幅值調(diào)節(jié)達(dá)到理想的信號(hào),。如圖4所示,采用125 MHz的晶振用來(lái)支持AD9850的正常工作,,在AD9850的輸出端設(shè)計(jì)LC低通濾波器和隔直電路,,輸出雙極性的正弦波信號(hào)。
3.2 濾波器模塊電路設(shè)計(jì)
為了提高產(chǎn)生信號(hào)的精確度和單頻信號(hào)的純凈性,,采用了一款適用于音頻信號(hào)的低通濾波器[10],,能夠?qū)D9850產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波處理,濾除掉在信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程中的高頻諧波信號(hào)[11]以及電路帶來(lái)的噪聲,。本次設(shè)計(jì)采用的是開(kāi)關(guān)電容濾波器LMF100,,LMF100有兩個(gè)功能相同、低功耗,、低電壓,、動(dòng)態(tài)范圍廣的二階開(kāi)關(guān)電容濾波器。通過(guò)對(duì)外圍電路的設(shè)計(jì),,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(shí)鐘信號(hào),,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(shí)鐘信號(hào)1:50,,輸入信號(hào)范圍0.1 Hz~50 kHz。
3.3 信號(hào)調(diào)理電路
信號(hào)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(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)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(hào)。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(wú)窮大,輸出阻抗無(wú)窮小,,這樣能使信號(hào)完全傳輸?shù)胶蠹?jí),。電流電壓轉(zhuǎn)換電路是將DAC8801輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。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(hào)為基準(zhǔn),,通過(guò)控制字來(lái)改變輸出信號(hào)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(shí),,輸出信號(hào)的大小和控制字成正比例,。式(1)為輸入信號(hào)和輸出信號(hào),控制字之間的關(guān)系,。
4 程序設(shè)計(jì)
程序設(shè)計(jì)主要是針對(duì)于下位機(jī)程序設(shè)計(jì),,主要包含對(duì)STM32系統(tǒng)的相關(guān)配置,以及AD9850,、DAC8801,、I2C從機(jī)的程序編寫(xiě)。其中AD9850驅(qū)動(dòng)程序包括對(duì)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(xiě)入到AD9850相關(guān)寄存器里,。AD9850包含一個(gè)40位的寄存器,用于編程和斷電使用,。這個(gè)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(gè)上升沿,,通過(guò)引腳25轉(zhuǎn)移40位的編程信息,,40位的信息轉(zhuǎn)移后,通過(guò)FQ_UP的一個(gè)脈沖來(lái)請(qǐng)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(dòng)程序編寫(xiě)和AD9850類(lèi)似,需要對(duì)芯片進(jìn)行初始化操作以及控制字寫(xiě)入到芯片的寄存器,。I2C程序包括對(duì)I2C相關(guān)的STM32庫(kù)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(xiě)函數(shù)以及相關(guān)的指令解析函數(shù)的編寫(xiě),。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(hào)時(shí)域分析
作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源,,產(chǎn)生的信號(hào)沒(méi)有明顯的失真是最基本的要求之一,在信號(hào)源的測(cè)試過(guò)程中,,首先需要用示波器觀測(cè)信號(hào)源在使用濾波前后的時(shí)域波形對(duì)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(hào)分析儀)對(duì)信號(hào)FFT變換,進(jìn)行頻域分析,。
5.2 輸出信號(hào)頻域分析
作為校準(zhǔn)信號(hào)源,,單頻信號(hào)頻率成分是精密信號(hào)源的重要指標(biāo)之一。在電聲測(cè)試儀校準(zhǔn)過(guò)程中需要純度特別高的正弦波信號(hào)作為激勵(lì),。因此,,在設(shè)計(jì)精密信號(hào)源的過(guò)程中需要測(cè)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(shí)的需要,。如圖9所示,,對(duì)信號(hào)源輸出1 kHz經(jīng)過(guò)帶通濾波[12]前后做FFT變換,對(duì)復(fù)頻域波形成分進(jìn)行對(duì)比,,可以發(fā)現(xiàn)諧波成分明顯變少,,信號(hào)源在頻域上滿足要求。
5.3 信號(hào)幅度測(cè)試
本設(shè)計(jì)能夠?qū)敵鲂盘?hào)幅值的線性控制,,為了測(cè)試程控?cái)?shù)字電位器輸出的準(zhǔn)確性,,利用高精度萬(wàn)用表對(duì)于輸出信號(hào)的幅值進(jìn)行測(cè)試。如表1所示,,產(chǎn)生1 kHz的正弦波信號(hào),,改變DAC8801的控制字,利用萬(wàn)用表得到一組數(shù)據(jù),,產(chǎn)生信號(hào)的有效值理論值和實(shí)際輸出基本相符,,信號(hào)源設(shè)計(jì)在幅值控制上滿足設(shè)計(jì)要求。
6 結(jié)論
本設(shè)計(jì)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(hào)源,,極大地提高了揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)在校準(zhǔn)過(guò)程中的精確性。利用模塊化設(shè)計(jì),,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(jí)換代。本設(shè)計(jì)針對(duì)于揚(yáng)聲器試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源,,也可滿足通信領(lǐng)域等方面的應(yīng)用,。對(duì)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(duì)于高性能多通道信號(hào)發(fā)生器也可采用高性能的FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 刁振軍.電聲器件測(cè)試儀類(lèi)儀器的校準(zhǔn)方法研究[J].無(wú)線互聯(lián)科技,,2018,,15(6):101-102.
[2] 王浩.多功能揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安:西安工程大學(xué),2018.
[3] 王亞磊,,周靜雷.基于AD9850和MAX7490用于儀器校準(zhǔn)信號(hào)源電路的設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù),,2018,42(5):52-56.
[4] 刁振軍.電聲器件測(cè)試儀類(lèi)儀器的校準(zhǔn)方法研究[J].無(wú)線互聯(lián)科技,,2018,,15(6):101-102.
[5] 南楠,趙立新.基于FPGA的DDS信號(hào)源研究與設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)(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(hào)源實(shí)現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)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(hào)源設(shè)計(jì)[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(hào)源輸出信號(hào)幅值控制電路設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,,2015,45(2):77-80.
[9] 孫瑩瑩,,盧京陽(yáng),,劉思久,,等.基于DDS與數(shù)字電位器的正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2012,,49(7):93-96.
[10] 曹宏胤.高精度電壓/電流校準(zhǔn)儀的研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),,2006.
[11] 高琴,姜壽山,,魏忠義.基于FPGA的DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西安工程科技學(xué)院學(xué)報(bào),,2006(2):210-214.
[12] 姚福安,徐衍亮.高性能多階有源帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),,2005,,19(2):20-25.
[13] 王群,姚為正,,王兆安.低通濾波器對(duì)諧波檢測(cè)電路的影響[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),,1999(4):9-12,16.
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)