基于DDS芯片的高精度正弦信号实现设计

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，信号调理威廉希尔官方网站 以及程控衰减威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 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、信号衰减威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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，硬件威廉希尔官方网站 主要是由控制威廉希尔官方网站 STM32最小系统和滤波器模块、信号调理威廉希尔官方网站 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］威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 进行设计并且完成PCB设计以及威廉希尔官方网站 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、开关电容滤波器威廉希尔官方网站 和信号调理威廉希尔官方网站 组成。

3.1 AD9850及外围威廉希尔官方网站

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低通滤波器和隔直威廉希尔官方网站 ，输出双极性的正弦波信号。

3.2 滤波器模块威廉希尔官方网站 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］以及威廉希尔官方网站 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。通过对外围威廉希尔官方网站 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 信号调理威廉希尔官方网站

信号调理威廉希尔官方网站 由运算放大器构成的电压跟随器和程控衰减威廉希尔官方网站 组成。运算放大器和程控衰减威廉希尔官方网站 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，电压跟随威廉希尔官方网站 以及电流电压转换威廉希尔官方网站 由低零漂高精度运算放大威廉希尔官方网站 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。电流电压转换威廉希尔官方网站 是将DAC8801输出的电流信号转换为电压信号。程控衰减威廉希尔官方网站 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

［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用于仪器校准信号源威廉希尔官方网站 的设计［J］。电声技术，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信号源研究与设计［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信号源实现［J］。微型电脑应用，2015，31（12）：16-18，4.

［7］ 喻勇，姚志成，杨剑，等。基于DDS的多路可控中频信号源设计［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信号源输出信号幅值控制威廉希尔官方网站 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信号发生器设计［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：国防科学技术大学，2006.

［11］ 高琴，姜寿山，魏忠义。基于FPGA的DDS信号源设计与实现［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］。电子测量与仪器学报，2005，19（2）：20-25.

［13］ 王群，姚为正，王兆安。低通滤波器对谐波检测威廉希尔官方网站 的影响［J］。西安交通大学学报，1999（4）：9-12，16.