張仁民，錢瑩晶，李 健

（懷化學(xué)院 物理與信息工程系，湖南 懷化 418008）

基于DDFS的程控音頻儀器測試信號源設(shè)計(jì)

張仁民，錢瑩晶，李 健

（懷化學(xué)院 物理與信息工程系，湖南 懷化 418008）

文中介紹一種基于DDFS（直接頻率合成）技術(shù)的可編程音頻儀器測試信號源設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器，以FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）作為信號源的主要平臺，利用DDFS技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)按指數(shù)衰減的頻率可調(diào)正弦衰減信號。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)產(chǎn)生的信號其幅度可以按指數(shù)規(guī)律衰減；其頻率可以在1～4 KHz頻率范圍內(nèi)按1 Hz步長步進(jìn)?？梢苑奖愕挠糜跍y試音頻儀器設(shè)備的放大和濾波性能。

直接頻率合成；音頻；現(xiàn)場可編程門陣列；放大器；濾波器

在各種音頻儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)和維護(hù)中，廣泛利用音頻信號源測試這些設(shè)備的工作狀態(tài)和性能指標(biāo)。放大器和濾波器是音頻設(shè)備中兩個(gè)基本功能模塊，所以測試設(shè)備的放大性能和濾波性能必不可少。因此，需要有一套能為放大、濾波性能測試提供標(biāo)準(zhǔn)測試源的音頻測試信號源。設(shè)計(jì)和制作一套供音頻設(shè)備測試用（放大器和濾波器）的高性能音頻信號源有重要的工程意義和實(shí)用價(jià)值。

通常放大器的測試源用的是單頻的不同幅度的正弦信號作為激勵(lì)源——小幅度信號用于測試放大器的靈敏度，大信號用于測試放大器對大信號的承受能力，大的動(dòng)態(tài)范圍用于表征放大器具有很強(qiáng)的對信號大小的適應(yīng)能力；濾波性能的測試通常是采用不同頻率的等幅正弦波作為激勵(lì)源，以用于測試電路對不同頻率信號的加權(quán)能力——頻率響應(yīng)。綜上所述，對音頻儀器設(shè)備的測試源的設(shè)計(jì)和選擇有幅度可變、頻率可調(diào)兩個(gè)基本要求。通常的激勵(lì)源只能做到單一的幅度可調(diào) （而頻率不變）或者頻率可調(diào) （而幅度不變），沒有二者皆同時(shí)可調(diào)，這樣就導(dǎo)致了測試效率極低。為了提高測試效率，可以采用以正弦為載波包絡(luò)按指數(shù)衰減的信號作為測試源。

1 原理及仿真

1.1 設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，該信號為按指數(shù)衰減的正弦信號，即其包絡(luò)為單邊衰減的指數(shù)信號，包絡(luò)內(nèi)是按正弦載波振蕩的。這樣指數(shù)衰減的包絡(luò)能反映出信號由大到小的變換規(guī)律，能滿足放大性能動(dòng)態(tài)范圍的測試；而頻率可調(diào)可以方便頻率響應(yīng)的測試。根據(jù)實(shí)際需要，文中所討論的音頻信號源需要具備如下參數(shù)：正弦波頻率1～4 kHz可調(diào)；調(diào)整步長1 Hz；初始相位為零；幅度按指數(shù)規(guī)律衰減；手動(dòng)觸發(fā)一次發(fā)出一個(gè)衰減正弦波；衰減到初始幅度的10%需延續(xù)時(shí)間100～1 000 ms。

圖1 指數(shù)規(guī)律衰減正弦振蕩信號Fig.1 An exponential decay sinusoid waveform

1.2 理論計(jì)算與仿真

按指數(shù)包絡(luò)衰變的正弦振蕩信號，在數(shù)學(xué)上實(shí)際就是單邊指數(shù)衰減信號和正弦信號在時(shí)域上相乘。即

其中SB（t）=e-at為基帶信號，此處為單邊指數(shù)衰減信號；c（t）=cos（Ωct）為載波，此處為正弦載波。根據(jù)傅里葉變換的時(shí)域卷積性質(zhì)得到最終實(shí)現(xiàn)信號的頻譜為：

該式說明最終實(shí)現(xiàn)的指數(shù)規(guī)律衰減正弦信號其頻譜S（jΩ）是原指數(shù)信號頻譜 SB（jΩ）線性搬遷到正弦載波的載頻Ωc處。

圖2 指數(shù)衰減信號與已調(diào)信號時(shí)域matlab仿真圖Fig.2 Exponential decay signal and modulated signal simulation in time-domain

為了驗(yàn)證分析的正確性和DDFS技術(shù)能在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，需要對上述基帶和已調(diào)信號進(jìn)行matlab仿真和計(jì)算。圖2為指數(shù)衰減信號與已調(diào)信號時(shí)域matlab仿真圖，該圖由上下兩張子圖組成。上面的子圖給出的是幅度為1，衰減系數(shù)a為20的指數(shù)信號；下面的子圖為上述指數(shù)信號和頻率為1 kHz、抽樣頻率為4 kHz的正弦序列相乘后的已調(diào)信號的時(shí)域波形，即為所要得到的結(jié)果。從仿真結(jié)果來看，這符合設(shè)計(jì)要求。

圖3為指數(shù)衰減信號與已調(diào)信號頻譜matlab仿真圖，與圖2的時(shí)域子圖子圖相對應(yīng)。需要說明的是該幅度譜利用的是512點(diǎn)的FFT對基帶指數(shù)信號和已調(diào)信號進(jìn)行分析得到。所以其頻率分辨率為4 000/512=7.812 5 Hz，因此頻率為1 000 Hz的正弦載波及頻譜搬遷后的指數(shù)信號頻譜的中心頻率應(yīng)該出現(xiàn)在1 000/7.812 5 Hz=128處[2-3]。從仿真結(jié)果證明可以看出這個(gè)結(jié)果完全正確。

圖3 指數(shù)衰減信號與已調(diào)信號頻譜matlab仿真圖Fig.3 Exponential decay signal and the modulated signal in frequency-domain

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

為得到滿足測試要求的可編程音頻儀器測試信號源，需要根據(jù)上述仿真的原理在具體的器件平臺上實(shí)現(xiàn)。圖4給出了基于DDFS技術(shù)的可編程音頻儀器測試信號源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。從該圖上可以看出，系統(tǒng)以51系列單片機(jī)為控制中心，接收鍵盤置入的正弦載波頻率，經(jīng)過計(jì)算后產(chǎn)生FPGA內(nèi)部DDS模塊所需要的頻率字，DDS模塊根據(jù)這一頻率字利用FPGA內(nèi)部的邏輯產(chǎn)生符合設(shè)計(jì)要求的按指數(shù)規(guī)律衰減的正弦振蕩信號，然后經(jīng)過DA轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，最后通過低通平滑濾波器產(chǎn)生最終的輸出信號。

圖4 音頻儀器測試信號源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Design diagram of waveform generator for testing audio instruments

3 硬件設(shè)計(jì)

從圖4可以看出，系統(tǒng)的硬件組成模塊較多，但控制器、人機(jī)接口、FPGA平臺的硬件不是本文的重點(diǎn)，故不作闡述。只對其中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器LPF做簡單說明。

3.1 DAC模塊

如圖5所示在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的數(shù)字相乘（調(diào)制）需要通過DAC轉(zhuǎn)變成為模擬信號，這里的DAC采用的是14位的高速DA，再經(jīng)過運(yùn)放OPA690將差分電流轉(zhuǎn)為單端電壓信號[4]。

圖5 DAC模塊電路Fig.5 DAC circuit

3.2 低通平滑濾波器

如圖6所示，經(jīng)DA輸出的信號經(jīng)過兩級由OPA690組成的低通濾波器后平滑輸出[5]。

圖6 低通平滑濾波電路Fig.6 Low-pass filter circuit

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件包括兩部分：一是單片機(jī)控制器的軟件設(shè)計(jì)；另一部分是FPGA的邏輯設(shè)計(jì)部分。

4.1 單片機(jī)控制程序

51單片機(jī)主要起到控制中心的作用，具體包括人機(jī)接口、參數(shù)計(jì)算、控制數(shù)據(jù)傳送給FPGA。這部分的軟件流程圖如圖7所示。

4.2 FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)

這部分的軟件（邏輯設(shè)計(jì)）是本系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)。主要包括指數(shù)衰減ROM1、正弦信號ROM2，、數(shù)字乘法器等3個(gè)模塊。圖8為指數(shù)衰減信號產(chǎn)生模塊；圖9所示為正弦信號產(chǎn)生模塊，采用的是DDS技術(shù)，這兩部分其實(shí)都是通過matlab文件計(jì)算后生成的定點(diǎn)初始化文件存入到FPGA的片上RAM中[6]；圖10給出的是實(shí)現(xiàn)前兩個(gè)模塊相乘的14位數(shù)字乘法器，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制器[7]。

圖7 單片機(jī)控制程序流程圖Fig.7 Program flow chart of MCU

圖8 指數(shù)衰減ROM1的模塊原理圖Fig.8 Schematic for exponential decay waveform

圖9 正弦信號ROM2的模塊原理圖Fig.9 Schematic for sinusoidal waveform

圖10 數(shù)字乘法器的模塊原理圖Fig.10 Schematic for Digital multiplier

圖11給出了邏輯設(shè)計(jì)完后在Quartus軟件中通過嵌入式邏輯分析儀signalTab看到的輸出波形。

圖11 signalTab中的波形Fig.11 Waveform showed by signalTab

5 測試結(jié)果

至此，軟硬件設(shè)計(jì)完畢。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了模塊測試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。測試的波形結(jié)果如圖12所示。該圖說明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)的要求。

6 結(jié)束語

圖12 通過示波器實(shí)測波形Fig.12 Waveform measured by oscilloscope

針對音頻儀器設(shè)備中放大和濾波特性的測試中需要對頻率1～4 kHz可調(diào)；調(diào)整步長1 Hz；初始相位為零；幅度按指數(shù)規(guī)律衰減；手動(dòng)觸發(fā)一次發(fā)出一個(gè)衰減正弦波；衰減到初始幅度的10%需延續(xù)時(shí)間100～1 000 ms。

[1]鄭君里.信號與系統(tǒng)上冊[M].2版.北京:高等教育出版社，2000.

[2]程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

[3]維納.K.英格爾著.數(shù)字信號處理（Matlab版）[M].劉樹棠譯.西安:西安交通大學(xué)出版社，2008.

[4]Texas Instruments.DAC904 datasheet[EB/OL].（2002-05-29）.http://www.ti.com.cn/product/cn/dac904.

[5]Texas Instruments.OPA690 datasheet[EB/OL].（2010-02-17）.http://www.ti.com.cn/product/cn/opa690.

[6]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程—VHDL版[M].4版.北京:科學(xué)出版社，2010.

[7]左偉華，萬莉莉，王帥，等.高精度DDFS信號源FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，201，18（12）:156-158.

ZUO Wei-hua，WAN Li-li，WANG Shuai，et al.Implementation of high precision DDFS signal source based on FPGA[J].Electronic Design Engineering，2010，18（12）:156-158.

Programmable waveform generator for testing audio instruments based on DDFS

ZHANG Ren-min，QIAN Ying-jing， LI Jian
（Department of Physics and Information Engineering， Huaihua college， Huaihua 418008， China）

Introduce the programmable waveform generator for testing Audio Instruments based on DDFS （Direct Digital Frequency Synthesizer）technology.This system produces an exponential decay sinusoid waveform using the DDFS technologies， where SCM acts as the controller and FPGA （field programmable gate array） acts as platform.The test results show that this system can generate an exponential decay sinusoid waveform，which is of 1Hz step length in 1～4 KHz frequency range.It can be easily used to testing the amplification and filtering performance of audio equipment.

direct digital frequency synthesizer； audio； field programmable gate array； amplifier； filter

TN741

A

1674－6236（2013）07－0055－04

2012－11－07稿件編號201211050

湖南省懷化學(xué)院科研資助項(xiàng)目（HHUY2008－07）；湖南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（10C1057）

張仁民（1981—），男，湖南冷水江人，碩士，講師。研究方向：實(shí)時(shí)信號處理，嵌入式儀器儀表。