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旗子暗记经由旗子暗记调理电路，然后经由功率放大器驱动扬声器事情。电声测试仪便是通过丈量扬声器干系的电参量来判断扬声器的品质。能够在对扬声器干系参数测试的同时，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、频率相应、灵敏度等参数的丈量来判断扬声器是否发生故障，以及发生故障时干系参数的变革，以便于剖析扬声器设计和制造工艺和制造工艺上的毛病。
1.2 电声测试仪校准
电声测试仪系统在做数据处理时须要精确的电路参数，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，须要对各个模块的参数进行丈量标定，对干系参数进行存储，并且通过I2C通信传往上位机。对付扬声器寿命试验系统的干系参数进行丈量，是利用精度很高的校准旗子暗记源对付系统进行校准，通过对干系继电器的掌握，来对运算放大器、程控放大器、旗子暗记衰减电路的干系参数进行丈量。以是，稳定性高、精度高、谐波身分小的校准旗子暗记源对付提高系统的精确性非常主要。
1.3 精密旗子暗记源整体方案设计
本设计采取嵌入式系统，由下位机软件和硬件电路组成[5]。下位机软件是对付STM32进行程序编写，包括对付DDS芯片的驱动程序、滤波模块的时钟旗子暗记源的驱动和掌握、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，硬件电路紧张是由掌握电路STM32最小系统和滤波器模块、旗子暗记调理电路和数字电位器组成。在全体系统中，上位机通过I2C通信，将产生旗子暗记的频率和相位掌握字发往下位机，然后通过下位机I2C吸收程序解析指令，掌握DDS芯片产生相应的正弦波旗子暗记。然后经由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 旗子暗记源系统事理
2.1 DDS基本事理
本旗子暗记源系统旗子暗记发生模块采取DDS芯片AD9850，AD9850采取DDS事理，即直接数字合成器。DDS是一种新型的数字频率合成技能，具有相对带宽大、频率转换韶光短、分辨率高和相位连续性好等优点[8]。如图2所示，DDS紧张由相位累加器、相位调制器、波形数据表以及D/A 转换器构成。个中相位累加器由N位加法器与N位寄存器构成。在时钟上升沿，加法器将频率掌握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便是合成旗子暗记的相位。相位累加器的溢出频率，便是DDS输出的旗子暗记频率。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转换器将数字旗子暗记转换成仿照旗子暗记输出。
2.2 DDS产生正弦波基本流程
DDS旗子暗记流程示意图[9]如图3所示。这里相位累加器位数为N位(N的取值范围实际运用中一样平常为24~32)，相称于把正弦旗子暗记在相位上的精度定义为N位，以是其分辨率为1/2N。输出频率为Fout=Fclk/2N，这个频率相称于“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。从上式剖析可得，当系统输入时钟频率Fclk不变时，输出旗子暗记频率由频率掌握字M所决定，且B=2N×Fout/Fclk。个中B为频率掌握字且只能取整数。这里频率掌握字取32位，相位掌握字取个中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事情。硬件构造采取模块化构造设计，采取单独的MCU掌握旗子暗记发生器模块，并且和扬声器的主控模块采取I2C协议进行通信，这样便于旗子暗记源的升级换代。本系统由STM32最小系统、AD9850、开关电容滤波器电路和旗子暗记调理电路组成。
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仿照电流旗子暗记，并且AD9850产生的旗子暗记幅值只有2 V旁边，且为单极性，而测试的时候须要的是双极性的正弦波旗子暗记，因此DDS输出的旗子暗记还要经由隔直和放大、电压跟随，末了再通过幅值调节达到空想的旗子暗记。如图4所示，采取125 MHz的晶振用来支持AD9850的正常事情，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旗子暗记。
3.2 滤波器模块电路设计
为了提高产生旗子暗记的精确度和单频旗子暗记的纯净性，采取了一款适用于音频旗子暗记的低通滤波器[10]，能够将AD9850产生的旗子暗记进行滤波处理，滤除掉在旗子暗记产生过程中的高频谐波旗子暗记[11]以及电路带来的噪声。本次设计采取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，采取双电源供电模式，外部时钟旗子暗记，由AD9850产生的方波供应，由于AD9850产生的方波上限频率为1 MHz，因此选取LMF100事情办法为模式1，中央频率和时钟旗子暗记1:50，输入旗子暗记范围0.1 Hz~50 kHz。
3.3 旗子暗记调理电路
旗子暗记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浸染来调节输出旗子暗记的幅值，使幅值能够根据实际须要输出不同幅值的旗子暗记。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。个中电压跟随器优点是输入阻抗无穷大，输出阻抗无穷小，这样能使旗子暗记完备传输到后级。电流电压转换电路是将DAC8801输出的电流旗子暗记转换为电压旗子暗记。程控衰减电路由DAC8801构成。DAC8801是一款14位高速串行DAC，作为程控衰减器利用，以输入旗子暗记为基准，通过掌握字来改变输出旗子暗记的幅值。个中掌握字为0~214-1之间的整数，当参考电压一定时，输出旗子暗记的大小和掌握字成正比例。式(1)为输入旗子暗记和输出旗子暗记，掌握字之间的关系。
4 程序设计
程序设计紧张是针对付下位机程序设计，紧张包含对STM32系统的干系配置，以及AD9850、DAC8801、I2C从机的程序编写。个中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吸收到的AD9850掌握字的吸收和写入到AD9850干系寄存器里。AD9850包含一个40位的寄存器，用于编程和断电利用。这个寄存器可以装载并行或者串行模式。本次采取串行数据加载办法，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的一个脉冲来要求更新输出频率或者相位。个中，40位掌握字包括32位频率掌握字以及8位相位掌握字。DAC8801驱动程序编写和AD9850类似，须要对芯片进行初始化操作以及掌握字写入到芯片的寄存器。I2C程序包括对I2C干系的STM32库函数的调用、干系端口的初始化、以及I2C吸收函数、读写函数以及干系的指令解析函数的编写。下位机程序流程图如图7所示。
5 结果剖析
5.1 输出旗子暗记时域剖析
作为标准旗子暗记源，产生的旗子暗记没有明显的失落真是最基本的哀求之一，在旗子暗记源的测试过程中，首先须要用示波器不雅观测旗子暗记源在利用滤波前后的时域波形比拟。如图8所示，由于示波器分辨率不是很高，看不出滤波前后的差异，因此利用AP(音频旗子暗记剖析仪)对旗子暗记FFT变换，进行频域剖析。
5.2 输出旗子暗记频域剖析
作为校准旗子暗记源，单频旗子暗记频率身分是精密旗子暗记源的主要指标之一。在电声测试仪校准过程中须要纯度特殊高的正弦波旗子暗记作为勉励。因此，在设计精密旗子暗记源的过程中须要测试多项性能指标，以知足扬声器功率试验仪校定时的须要。如图9所示，对旗子暗记源输出1 kHz经由带通滤波[12]前后做FFT变换，对复频域波形身分进行比拟，可以创造谐波身分明显变少，旗子暗记源在频域上知足哀求。
5.3 旗子暗记幅度测试
本设计能够对输出旗子暗记幅值的线性掌握，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付输出旗子暗记的幅值进行测试。如表1所示，产生1 kHz的正弦波旗子暗记，改变DAC8801的掌握字，利用万用表得到一组数据，产生旗子暗记的有效值理论值和实际输出基本符合，旗子暗记源设计在幅值掌握上知足设计哀求。
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旗子暗记源，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，并采取I2C总线构造通信，有利于扬声器功率试验系统的升级换代。本设计针对付扬声器试验系统的校准设计的标准旗子暗记源，也可知足通信领域等方面的运用。对付更高精度的需求，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。对付高性能多通道旗子暗记发生器也可采取高性能的FPGA来实现。
参考文献
[1] 刁振军.电声器件测试仪类仪器的校准方法研究[J].无线互联科技，2018，15(6)：101-102.
[2] 王浩.多功能扬声器功率试验系统设计[D].西安：西安工程大学，2018.
[3] 王亚磊，周静雷.基于AD9850和MAX7490用于仪器校准旗子暗记源电路的设计[J].电声技能，2018，42(5)：52-56.
[4] 刁振军.电声器件测试仪类仪器的校准方法研究[J].无线互联科技，2018，15(6)：101-102.
[5] 南楠，赵立新.基于FPGA的DDS旗子暗记源研究与设计[J].沈阳工程学院学报(自然科版)，2016，12(1)：74-82.
[6] 张林行，尚小虎，赵美聪，等.一种基于FPGA的DDS旗子暗记源实现[J].微型电脑运用，2015，31(12)：16-18，4.
[7] 喻勇，姚志成，杨剑，等.基于DDS的多路可控中频旗子暗记源设计[J].电子器件，2015，38(4)：853-857.
[8] 陈威，李太全，余新华，等.基于AD8368的DDS旗子暗记源输出旗子暗记幅值掌握电路设计[J].无线电工程，2015，45(2)：77-80.
[9] 孙莹莹，卢京阳，刘思久，等.基于DDS与数字电位器的正弦旗子暗记发生器设计[J].电测与仪表，2012，49(7)：93-96.
[10] 曹宏胤.高精度电压/电流校准仪的研究[D].长沙：国防科学技能大学，2006.
[11] 高琴，姜寿山，魏忠义.基于FPGA的DDS旗子暗记源设计与实现[J].西安工程科技学院学报，2006(2)：210-214.
[12] 姚福安，徐衍亮.高性能多阶有源带通滤波器设计[J].电子丈量与仪器学报，2005，19(2)：20-25.
[13] 王群，姚为正，王兆安.低通滤波器对谐波检测电路的影响[J].西安交通大学学报，1999(4)：9-12，16.
作者信息:
周静雷，尹晓东，冯 源
(西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安710048)
