基于DDS芯片的高精度正弦信號實現(xiàn)設(shè)計

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(shè)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(guān)的電參量來判斷揚聲器的品質(zhì)。能夠在對揚聲器相關(guān)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(yīng)、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(guān)參數(shù)的變化，以便于分析揚聲器設(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

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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)計

本設(shè)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(shè)計以及上位機通信的I2C從機程序設(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(yīng)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(yīng)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1/2N。輸出頻率為Fout=Fclk/2N，這個頻率相當于“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。

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(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(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(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(guān)系。

4 程序設(shè)計

程序設(shè)計主要是針對于下位機程序設(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(shè)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(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(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(shè)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(shè)計針對于揚聲器試驗系統(tǒng)的校準設(shè)計的標準信號源，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

［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(shè)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(shè)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(shè)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(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源設(shè)計［J］。電子器件，2015，38（4）：853-857.

［8］ 陳威，李太全，余新華，等?；贏D8368的DDS信號源輸出信號幅值控制電路設(shè)計［J］。無線電工程，2015，45（2）：77-80.

［9］ 孫瑩瑩，盧京陽，劉思久，等?；贒DS與數(shù)字電位器的正弦信號發(fā)生器設(shè)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(shè)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(shè)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.