0 导言
测验仪器校准是确保仪器丈量作业准确性的重要条件［1］。关于电声测验仪器来说也是如此。例如扬声器寿数实验是指对扬声器进行各种规范的功率测验，通过加快寿数实验对扬声器的各项电参量进行丈量剖析。电声测验体系在作业中需求用规范信号对仪器进行校准［2-3］，规范的信号源关于进步电声测验体系的精度尤为重要。传统的信号源发生的信号谐波成分较多，这对电声测验的精度影响非常大。本规划运用高功能的DDS［4］芯片发生规范的精细信号源，运用带通滤波器，信号调度电路以及程控衰减电路，完结高精度正弦信号的发生。
1 电声测验体系
1.1 电声测验体系验简介
电声测验仪包含扬声器功率实验仪、扬声器归纳测验仪、扫频仪以及扬声器阻抗仪等。电声测验体系是运用规范信号通过信号调度电路，然后通过功率扩大器驱动扬声器作业。电声测验仪便是通过丈量扬声器相关的电参量来判别扬声器的质量。能够在对扬声器相关参数测验的一起，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、灵敏度等参数的丈量来判别扬声器是否发生毛病，以及发生毛病时相关参数的改动，以便于剖析扬声器规划和制作工艺和制作工艺上的缺点。
1.2 电声测验仪校准
电声测验仪体系在做数据处理时需求准确的电路参数，比如说运算扩大器和程控扩大器的扩大倍数，还有电压收集模块中的衰减倍数。扬声器功率实验开端前，需求对各个模块的参数进行丈量标定，对相关参数进行存储，而且通过I2C通讯传往上位机。关于扬声器寿数实验体系的相关参数进行丈量，是运用精度很高的校准信号源关于体系进行校准，通过对相关继电器的操控，来对运算扩大器、程控扩大器、信号衰减电路的相关参数进行丈量。所以，稳定性高、精度高、谐波成分小的校准信号源关于进步体系的准确性非常重要。
1.3 精细信号源全体方案规划
本规划选用嵌入式体系，由下位机软件和硬件电路组成［5］。下位机软件是关于STM32进行程序编写，包含关于DDS芯片的驱动程序、滤波模块的时钟信号源的驱动和操控、数字电位器模块的驱动程序规划以及上位机通讯的I2C从机程序规划。如图1所示，硬件电路首要是由操控电路STM32最小体系和滤波器模块、信号调度电路和数字电位器组成。在整个体系中，上位机通过I2C通讯，将发生信号的频率和相位操控字发往下位机，然后通过下位机I2C接纳程序解析指令，操控DDS芯片发生相应的正弦波信号。然后通过带通滤波器进行杂波滤除，再通过数字电位器［6］电路完结幅值调度［7］。
2 信号源体系原理
2.1 DDS根本原理
本信号源体系信号发生模块选用DDS芯片AD9850，AD9850选用DDS原理，即直接数字组成器。DDS是一种新式的数字频率组成技能，具有相对带广大、频率转化时间短、分辩率高和相位连续性好等长处［8］。如图2所示，DDS首要由相位累加器、相位调制器、波形数据表以及D/A 转化器构成。其间相位累加器由N位加法器与N位寄存器构成。在时钟上升沿，加法器将频率操控字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的成果反应至累加寄存器。相位累加器输出的数据便是组成信号的相位。相位累加器的溢出频率，便是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，这样就能够把存储在波形存储器里的波形采样值经查表找出，完结相位到起伏的转化。波形存储器的输出送到D/A 转化器，由D/A转化器将数字信号转化成模仿信号输出。
2.2 DDS发生正弦波根本流程
DDS信号流程示意图［9］如图3所示。这儿相位累加器位数为N位（N的取值规模实践运用中一般为24~32），相当于把正弦信号在相位上的精度界说为N位，所以其分辩率为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。因而理论上由以上三个参数就能够得出恣意的输出频率fo。且可得出频率分辩率由时钟频率和累加器的位数决议。参阅时钟频率越高，累加器位数越高，输出频率分辩率就越高。从上式剖析可得，当体系输入时钟频率Fclk不变时，输出信号频率由频率操控字M所决议，且B=2N×Fout/Fclk。其间B为频率操控字且只能取整数。这儿频率操控字取32位，相位操控字取其间8位。图3所示为正弦波发生的简化示意图。
3 硬件体系完结
硬件体系的完结包含对各个模块的电路进行规划而且完结PCB规划以及电路的焊接调试作业。硬件结构选用模块化结构规划，选用独自的MCU操控信号发生器模块，而且和扬声器的主控模块选用I2C协议进行通讯，这样便于信号源的升级换代。本体系由STM32最小体系、AD9850、开关电容滤波器电路和信号调度电路组成。
3.1 AD9850及外围电路
AD9850是美国ADI公司出产的高度集成的DDS芯片，能够输出两个互补的模仿电流信号，而且AD9850发生的信号幅值只要2 V左右，且为单极性，而测验的时分需求的是双极性的正弦波信号，因而DDS输出的信号还要通过隔直和扩大、电压跟从，最终再通过幅值调度到达抱负的信号。如图4所示，选用125 MHz的晶振用来支撑AD9850的正常作业，在AD9850的输出端规划LC低通滤波器和隔直电路，输出双极性的正弦波信号。
3.2 滤波器模块电路规划
为了进步发生信号的准确度和单频信号的纯洁性，选用了一款适用于音频信号的低通滤波器［10］，能够将AD9850发生的信号进行滤波处理，滤除掉在信号发生过程中的高频谐波信号［11］以及电路带来的噪声。本次规划选用的是开关电容滤波器LMF100，LMF100有两个功用相同、低功耗、低电压、动态规模广的二阶开关电容滤波器。通过对外围电路的规划，外接不同的电阻电容能够完结低通滤波、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，选用双电源供电形式，外部时钟信号，由AD9850发生的方波供给，因为AD9850发生的方波上限频率为1 MHz，因而选取LMF100作业办法为形式1，中心频率和时钟信号1:50，输入信号规模0.1 Hz~50 kHz。
3.3 信号调度电路
信号调度电路由运算扩大器构成的电压跟从器和程控衰减电路组成。运算扩大器和程控衰减电路一起作用来调度输出信号的幅值，使幅值能够依据实践需求输出不同幅值的信号。如图6所示，电压跟从电路以及电流电压转化电路由低零漂高精度运算扩大电路组成。其间电压跟从器长处是输入阻抗无穷大，输出阻抗无穷小，这样能使信号彻底传输到后级。电流电压转化电路是将DAC8801输出的电流信号转化为电压信号。程控衰减电路由DAC8801构成。DAC8801是一款14位高速串行DAC，作为程控衰减器运用，以输入信号为基准，通过操控字来改动输出信号的幅值。其间操控字为0~214-1之间的整数，当参阅电压一守时，输出信号的巨细和操控字成正比例。式（1）为输入信号和输出信号，操控字之间的联系。
4 程序规划
程序规划首要是针关于下位机程序规划，首要包含对STM32体系的相关装备，以及AD9850、DAC8801、I2C从机的程序编写。其间AD9850驱动程序包含对STM32的GPIO口的装备以及芯片状况的初始化设置，以及I2C接纳到的AD9850操控字的接纳和写入到AD9850相关寄存器里。AD9850包含一个40位的寄存器，用于编程和断电运用。这个寄存器能够装载并行或许串行形式。本次选用串行数据加载办法，在W_CLK的第一个上升沿，通过引脚25搬运40位的编程信息，40位的信息搬运后，通过FQ_UP的一个脉冲来恳求更新输出频率或许相位。其间，40位操控字包含32位频率操控字以及8位相位操控字。DAC8801驱动程序编写和AD9850相似，需求对芯片进行初始化操作以及操控字写入到芯片的寄存器。I2C程序包含对I2C相关的STM32库函数的调用、相关端口的初始化、以及I2C接纳函数、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 成果剖析
5.1 输出信号时域剖析
作为规范信号源，发生的信号没有显着的失真是最根本的要求之一，在信号源的测验过程中，首要需求用示波器观测信号源在运用滤波前后的时域波形比照。如图8所示，因为示波器分辩率不是很高，看不出滤波前后的差异，因而运用AP（音频信号剖析仪）对信号FFT改换，进行频域剖析。
5.2 输出信号频域剖析
作为校准信号源，单频信号频率成分是精细信号源的重要目标之一。在电声测验仪校准过程中需求纯度特别高的正弦波信号作为鼓励。因而，在规划精细信号源的过程中需求测验多项功能目标，以满意扬声器功率实验仪校按时的需求。如图9所示，对信号源输出1 kHz通过带通滤波［12］前后做FFT改换，对复频域波形成分进行比照，能够发现谐波成分显着变少，信号源在频域上满意要求。
5.3 信号起伏测验
本规划能够对输出信号幅值的线性操控，为了测验程控数字电位器输出的准确性，运用高精度万用表关于输出信号的幅值进行测验。如表1所示，发生1 kHz的正弦波信号，改动DAC8801的操控字，运用万用表得到一组数据，发生信号的有效值理论值和实践输出根本相符，信号源规划在幅值操控上满意规划要求。
6 定论
本规划依据嵌入式，完结了频率可控、幅值可控的高精度的正弦波校准信号源，极大地进步了扬声器功率实验体系在校准过程中的准确性。运用模块化规划，并选用I2C总线结构通讯，有利于扬声器功率实验体系的升级换代。本规划针关于扬声器实验体系的校准规划的规范信号源，也可满意通讯范畴等方面的运用。关于更高精度的需求，能够挑选高功能的DDS芯片以及更高功能的带通滤波器，更高位的数字电位器。关于高功能多通道信号发生器也可选用高功能的FPGA来完结。
参阅文献
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