測試儀器校準是保證儀器測量工作準确性的重要條件^[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标準的功率測試，通過加速壽命試驗對揚聲器的各項電參量進行測量分析。電聲測試系統在工作中需要用标準信号對儀器進行校準^[2-3]，标準的信号源對于提高電聲測試系統的精度尤為重要。傳統的信号源産生的信号諧波成分較多，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]芯片産生标準的精密信号源，利用帶通濾波器，信号調理電路以及程控衰減電路，實現高精度正弦信号的産生。

1 電聲測試系統

1.1 電聲測試系統驗簡介

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。電聲測試系統是利用标準信号經過信号調理電路，然後經過功率放大器驅動揚聲器工作。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。能夠在對揚聲器相關參數測試的同時，在線監測揚聲器的電流、電壓、直流阻、有功功率、無功功率、功率因數、阻抗曲線、諧振頻率、諧振阻抗、頻率響應、靈敏度等參數的測量來判斷揚聲器是否發生故障，以及發生故障時相關參數的變化，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

電聲測試儀系統在做數據處理時需要精确的電路參數，比如說運算放大器和程控放大器的放大倍數，還有電壓采集模塊中的衰減倍數。揚聲器功率試驗開始前，需要對各個模塊的參數進行測量标定，對相關參數進行存儲，并且通過I²C通信傳往上位機。對于揚聲器壽命試驗系統的相關參數進行測量，是利用精度很高的校準信号源對于系統進行校準，通過對相關繼電器的控制，來對運算放大器、程控放大器、信号衰減電路的相關參數進行測量。所以，穩定性高、精度高、諧波成分小的校準信号源對于提高系統的精确性非常重要。

1.3 精密信号源整體方案設計

本設計采用嵌入式系統，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芯片的驅動程序、濾波模塊的時鐘信号源的驅動和控制、數字電位器模塊的驅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最小系統和濾波器模塊、信号調理電路和數字電位器組成。在整個系統中，上位機通過I2C通信，将産生信号的頻率和相位控制字發往下位機，然後通過下位機I2C接收程序解析指令，控制DDS芯片産生相應的正弦波信号。然後經過帶通濾波器進行雜波濾除，再通過數字電位器^[6]電路實現幅值調節^[7]。

2 信号源系統原理

2.1 DDS基本原理

本信号源系統信号發生模塊采用DDS芯片AD9850，AD9850采用DDS原理，即直接數字合成器。DDS是一種新型的數字頻率合成技術，具有相對帶寬大、頻率轉換時間短、分辨率高和相位連續性好等優點^[8]。如圖2所示，DDS主要由相位累加器、相位調制器、波形數據表以及D/A 轉換器構成。其中相位累加器由N位加法器與N位寄存器構成。在時鐘上升沿，加法器将頻率控制字與累加寄存器輸出的相位數據相加，相加的結果反饋至累加寄存器。相位累加器輸出的數據就是合成信号的相位。相位累加器的溢出頻率，就是DDS輸出的信号頻率。用相位累加器輸出的數據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裡的波形采樣值經查表找出，完成相位到幅度的轉換。波形存儲器的輸出送到D/A 轉換器，由D/A轉換器将數字信号轉換成模拟信号輸出。

2.2 DDS産生正弦波基本流程

DDS信号流程示意圖^[9]如圖3所示。這裡相位累加器位數為N位(N的取值範圍實際應用中一般為24~32)，相當于把正弦信号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決定。參考時鐘頻率越高，累加器位數越高，輸出頻率分辨率就越高。從上式分析可得，當系統輸入時鐘頻率F_clk不變時，輸出信号頻率由頻率控制字M所決定，且B=2^N×F_out/F_clk。其中B為頻率控制字且隻能取整數。這裡頻率控制字取32位，相位控制字取其中8位。圖3所示為正弦波産生的簡化示意圖。

3 硬件系統實現

硬件系統的實現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試工作。硬件結構采用模塊化結構設計，采用單獨的MCU控制信号發生器模塊，并且和揚聲器的主控模塊采用I²C協議進行通信，這樣便于信号源的升級換代。本系統由STM32最小系統、AD9850、開關電容濾波器電路和信号調理電路組成。

3.1 AD9850及外圍電路

AD9850是美國ADI公司生産的高度集成的DDS芯片，能夠輸出兩個互補的模拟電流信号，并且AD9850産生的信号幅值隻有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号，因此DDS輸出的信号還要經過隔直和放大、電壓跟随，最後再通過幅值調節達到理想的信号。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号。

3.2 濾波器模塊電路設計

為了提高産生信号的精确度和單頻信号的純淨性，采用了一款适用于音頻信号的低通濾波器^[10]，能夠将AD9850産生的信号進行濾波處理，濾除掉在信号産生過程中的高頻諧波信号^[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、動态範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，外部時鐘信号，由AD9850産生的方波提供，由于AD9850産生的方波上限頻率為1 MHz，因此選取LMF100工作方式為模式1，中心頻率和時鐘信号1:50，輸入信号範圍0.1 Hz~50 kHz。

3.3 信号調理電路

信号調理電路由運算放大器構成的電壓跟随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節輸出信号的幅值，使幅值能夠根據實際需要輸出不同幅值的信号。如圖6所示，電壓跟随電路以及電流電壓轉換電路由低零漂高精度運算放大電路組成。其中電壓跟随器優點是輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小，這樣能使信号完全傳輸到後級。電流電壓轉換電路是将DAC8801輸出的電流信号轉換為電壓信号。程控衰減電路由DAC8801構成。DAC8801是一款14位高速串行DAC，作為程控衰減器使用，以輸入信号為基準，通過控制字來改變輸出信号的幅值。其中控制字為0~2¹⁴-1之間的整數，當參考電壓一定時，輸出信号的大小和控制字成正比例。式(1)為輸入信号和輸出信号，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系統的相關配置，以及AD9850、DAC8801、I²C從機的程序編寫。其中AD9850驅動程序包括對STM32的GPIO口的配置以及芯片狀态的初始化設置，以及I²C接收到的AD9850控制字的接收和寫入到AD9850相關寄存器裡。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。本次采用串行數據加載方式，在W_CLK的第一個上升沿，通過引腳25轉移40位的編程信息，40位的信息轉移後，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庫函數的調用、相關端口的初始化、以及I2C接收函數、讀寫函數以及相關的指令解析函數的編寫。下位機程序流程圖如圖7所示。

5 結果分析

5.1 輸出信号時域分析

作為标準信号源，産生的信号沒有明顯的失真是最基本的要求之一，在信号源的測試過程中，首先需要用示波器觀測信号源在使用濾波前後的時域波形對比。如圖8所示，由于示波器分辨率不是很高，看不出濾波前後的區别，因此使用AP(音頻信号分析儀)對信号FFT變換，進行頻域分析。

5.2 輸出信号頻域分析

作為校準信号源，單頻信号頻率成分是精密信号源的重要指标之一。在電聲測試儀校準過程中需要純度特别高的正弦波信号作為激勵。因此，在設計精密信号源的過程中需要測試多項性能指标，以滿足揚聲器功率試驗儀校準時的需要。如圖9所示，對信号源輸出1 kHz經過帶通濾波^[12]前後做FFT變換，對複頻域波形成分進行對比，可以發現諧波成分明顯變少，信号源在頻域上滿足要求。

5.3 信号幅度測試

本設計能夠對輸出信号幅值的線性控制，為了測試程控數字電位器輸出的準确性，利用高精度萬用表對于輸出信号的幅值進行測試。如表1所示，産生1 kHz的正弦波信号，改變DAC8801的控制字，利用萬用表得到一組數據，産生信号的有效值理論值和實際輸出基本相符，信号源設計在幅值控制上滿足設計要求。

6 結論

本設計基于嵌入式，實現了頻率可控、幅值可控的高精度的正弦波校準信号源，極大地提高了揚聲器功率試驗系統在校準過程中的精确性。利用模塊化設計，并采用I2C總線結構通信，有利于揚聲器功率試驗系統的升級換代。本設計針對于揚聲器試驗系統的校準設計的标準信号源，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，更高位的數字電位器。對于高性能多通道信号發生器也可采用高性能的FPGA來實現。

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作者信息:

周靜雷，尹曉東，馮 源

(西安工程大學 電子信息學院，陝西 西安710048)

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