基于电声测试仪的正弦波校准信号源实现设计

0 引言

测试仪器校准是保证仪器测量工作准确性的重要条件［1］。对于电声测试仪器来说也是如此。例如扬声器寿命试验是指对扬声器进行各种标准的功率测试，通过加速寿命试验对扬声器的各项电参量进行测量分析。电声测试系统在工作中需要用标准信号对仪器进行校准［2-3］，标准的信号源对于提高电声测试系统的精度尤为重要。传统的信号源产生的信号谐波成分较多，这对电声测试的精度影响非常大。本设计利用高性能的DDS［4］芯片产生标准的精密信号源，利用带通滤波器，信号调理电路以及程控衰减电路，实现高精度正弦信号的产生。

1 电声测试系统

1.1 电声测试系统验简介

电声测试仪包括扬声器功率试验仪、扬声器综合测试仪、扫频仪以及扬声器阻抗仪等。电声测试系统是利用标准信号经过信号调理电路，然后经过功率放大器驱动扬声器工作。电声测试仪就是通过测量扬声器相关的电参量来判断扬声器的品质。能够在对扬声器相关参数测试的同时，在线监测扬声器的电流、电压、直流阻、有功功率、无功功率、功率因数、阻抗曲线、谐振频率、谐振阻抗、频率响应、灵敏度等参数的测量来判断扬声器是否发生故障，以及发生故障时相关参数的变化，以便于分析扬声器设计和制造工艺和制造工艺上的缺陷。

1.2 电声测试仪校准

电声测试仪系统在做数据处理时需要精确的电路参数，比如说运算放大器和程控放大器的放大倍数，还有电压采集模块中的衰减倍数。扬声器功率试验开始前，需要对各个模块的参数进行测量标定，对相关参数进行存储，并且通过I2C通信传往上位机。对于扬声器寿命试验系统的相关参数进行测量，是利用精度很高的校准信号源对于系统进行校准，通过对相关继电器的控制，来对运算放大器、程控放大器、信号衰减电路的相关参数进行测量。所以，稳定性高、精度高、谐波成分小的校准信号源对于提高系统的精确性非常重要。

1.3 精密信号源整体方案设计

本设计采用嵌入式系统，由下位机软件和硬件电路组成［5］。下位机软件是对于STM32进行程序编写，包括对于DDS芯片的驱动程序、滤波模块的时钟信号源的驱动和控制、数字电位器模块的驱动程序设计以及上位机通信的I2C从机程序设计。如图1所示，硬件电路主要是由控制电路STM32最小系统和滤波器模块、信号调理电路和数字电位器组成。在整个系统中，上位机通过I2C通信，将产生信号的频率和相位控制字发往下位机，然后通过下位机I2C接收程序解析指令，控制DDS芯片产生相应的正弦波信号。然后经过带通滤波器进行杂波滤除，再通过数字电位器［6］电路实现幅值调节［7］。

2 信号源系统原理

2.1 DDS基本原理

本信号源系统信号发生模块采用DDS芯片AD9850，AD9850采用DDS原理，即直接数字合成器。DDS是一种新型的数字频率合成技术，具有相对带宽大、频率转换时间短、分辨率高和相位连续性好等优点［8］。如图2所示，DDS主要由相位累加器、相位调制器、波形数据表以及D/A 转换器构成。其中相位累加器由N位加法器与N位寄存器构成。在时钟上升沿，加法器将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果反馈至累加寄存器。相位累加器输出的数据就是合成信号的相位。相位累加器的溢出频率，就是DDS输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器的相位采样地址，这样就可以把存储在波形存储器里的波形采样值经查表找出，完成相位到幅度的转换。波形存储器的输出送到D/A 转换器，由D/A转换器将数字信号转换成模拟信号输出。

2.2 DDS产生正弦波基本流程

DDS信号流程示意图［9］如图3所示。这里相位累加器位数为N位（N的取值范围实际应用中一般为24~32），相当于把正弦信号在相位上的精度定义为N位，所以其分辨率为1/2N。输出频率为Fout=Fclk/2N，这个频率相当于“基频”。输出频率为Fout=B×Fclk/2N。因此理论上由以上三个参数就可以得出任意的输出频率fo。且可得出频率分辨率由时钟频率和累加器的位数决定。参考时钟频率越高，累加器位数越高，输出频率分辨率就越高。从上式分析可得，当系统输入时钟频率Fclk不变时，输出信号频率由频率控制字M所决定，且B=2N×Fout/Fclk。其中B为频率控制字且只能取整数。这里频率控制字取32位，相位控制字取其中8位。图3所示为正弦波产生的简化示意图。

3 硬件系统实现

硬件系统的实现包括对各个模块的电路进行设计并且完成PCB设计以及电路的焊接调试工作。硬件结构采用模块化结构设计，采用单独的MCU控制信号发生器模块，并且和扬声器的主控模块采用I2C协议进行通信，这样便于信号源的升级换代。本系统由STM32最小系统、AD9850、开关电容滤波器电路和信号调理电路组成。

3.1 AD9850及外围电路

AD9850是美国ADI公司生产的高度集成的DDS芯片，能够输出两个互补的模拟电流信号，并且AD9850产生的信号幅值只有2 V左右，且为单极性，而测试的时候需要的是双极性的正弦波信号，因此DDS输出的信号还要经过隔直和放大、电压跟随，最后再通过幅值调节达到理想的信号。如图4所示，采用125 MHz的晶振用来支持AD9850的正常工作，在AD9850的输出端设计LC低通滤波器和隔直电路，输出双极性的正弦波信号。

3.2 滤波器模块电路设计

为了提高产生信号的精确度和单频信号的纯净性，采用了一款适用于音频信号的低通滤波器［10］，能够将AD9850产生的信号进行滤波处理，滤除掉在信号产生过程中的高频谐波信号［11］以及电路带来的噪声。本次设计采用的是开关电容滤波器LMF100，LMF100有两个功能相同、低功耗、低电压、动态范围广的二阶开关电容滤波器。通过对外围电路的设计，外接不同的电阻电容可以实现低通滤波、带通滤波、高通滤波。如图5所示，由LMF100接成的四阶带通滤波器，采用双电源供电模式，外部时钟信号，由AD9850产生的方波提供，由于AD9850产生的方波上限频率为1 MHz，因此选取LMF100工作方式为模式1，中心频率和时钟信号1:50，输入信号范围0.1 Hz~50 kHz。

3.3 信号调理电路

信号调理电路由运算放大器构成的电压跟随器和程控衰减电路组成。运算放大器和程控衰减电路共同作用来调节输出信号的幅值，使幅值能够根据实际需要输出不同幅值的信号。如图6所示，电压跟随电路以及电流电压转换电路由低零漂高精度运算放大电路组成。其中电压跟随器优点是输入阻抗无穷大，输出阻抗无穷小，这样能使信号完全传输到后级。电流电压转换电路是将DAC8801输出的电流信号转换为电压信号。程控衰减电路由DAC8801构成。DAC8801是一款14位高速串行DAC，作为程控衰减器使用，以输入信号为基准，通过控制字来改变输出信号的幅值。其中控制字为0~214-1之间的整数，当参考电压一定时，输出信号的大小和控制字成正比例。式（1）为输入信号和输出信号，控制字之间的关系。

4 程序设计

程序设计主要是针对于下位机程序设计，主要包含对STM32系统的相关配置，以及AD9850、DAC8801、I2C从机的程序编写。其中AD9850驱动程序包括对STM32的GPIO口的配置以及芯片状态的初始化设置，以及I2C接收到的AD9850控制字的接收和写入到AD9850相关寄存器里。AD9850包含一个40位的寄存器，用于编程和断电使用。这个寄存器可以装载并行或者串行模式。本次采用串行数据加载方式，在W_CLK的第一个上升沿，通过引脚25转移40位的编程信息，40位的信息转移后，通过FQ_UP的一个脉冲来请求更新输出频率或者相位。其中，40位控制字包括32位频率控制字以及8位相位控制字。DAC8801驱动程序编写和AD9850类似，需要对芯片进行初始化操作以及控制字写入到芯片的寄存器。I2C程序包括对I2C相关的STM32库函数的调用、相关端口的初始化、以及I2C接收函数、读写函数以及相关的指令解析函数的编写。下位机程序流程图如图7所示。

5 结果分析

5.1 输出信号时域分析

作为标准信号源，产生的信号没有明显的失真是最基本的要求之一，在信号源的测试过程中，首先需要用示波器观测信号源在使用滤波前后的时域波形对比。如图8所示，由于示波器分辨率不是很高，看不出滤波前后的区别，因此使用AP（音频信号分析仪）对信号FFT变换，进行频域分析。

5.2 输出信号频域分析

作为校准信号源，单频信号频率成分是精密信号源的重要指标之一。在电声测试仪校准过程中需要纯度特别高的正弦波信号作为激励。因此，在设计精密信号源的过程中需要测试多项性能指标，以满足扬声器功率试验仪校准时的需要。如图9所示，对信号源输出1 kHz经过带通滤波［12］前后做FFT变换，对复频域波形成分进行对比，可以发现谐波成分明显变少，信号源在频域上满足要求。

5.3 信号幅度测试

本设计能够对输出信号幅值的线性控制，为了测试程控数字电位器输出的准确性，利用高精度万用表对于输出信号的幅值进行测试。如表1所示，产生1 kHz的正弦波信号，改变DAC8801的控制字，利用万用表得到一组数据，产生信号的有效值理论值和实际输出基本相符，信号源设计在幅值控制上满足设计要求。

6 结论

本设计基于嵌入式，实现了频率可控、幅值可控的高精度的正弦波校准信号源，极大地提高了扬声器功率试验系统在校准过程中的精确性。利用模块化设计，并采用I2C总线结构通信，有利于扬声器功率试验系统的升级换代。本设计针对于扬声器试验系统的校准设计的标准信号源，也可满足通信领域等方面的应用。对于更高精度的需求，可以选择高性能的DDS芯片以及更高性能的带通滤波器，更高位的数字电位器。对于高性能多通道信号发生器也可采用高性能的FPGA来实现。

参考文献

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