于小強(qiáng),楊 暉,2,,楊海馬,宋磊磊,李 軍,V.Zivkovic,胡恒慶

(1.上海理工大學(xué)光學(xué)與電子信息工程學(xué)院,上海 200093;2.上海理工大學(xué)，上海市現(xiàn)代光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093;3.阿德雷德大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,阿德雷德 5005 )

0 引言

目前，信號(hào)發(fā)生器廣泛應(yīng)用于通信、測控、醫(yī)療等領(lǐng)域，但是所采用的精密儀器大多成本過高，造成資源的浪費(fèi)。所以，如何采用低成本實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)發(fā)生器是亟需要解決的問題。通常，采用可編程DDS芯片[1-2]為核心，通過內(nèi)置函數(shù)查找表的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如文獻(xiàn)[1]，不僅成本高且波形種類少；文獻(xiàn)[2]中提出改進(jìn)，在波形類型上加以擴(kuò)充，但是在控制上及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面沒有詳細(xì)方案，幅頻的精度調(diào)節(jié)可行性不高。結(jié)合上述方案提出文中的設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)參數(shù)與設(shè)計(jì)

為了克服傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器[3]的可調(diào)節(jié)性差的缺點(diǎn)，該設(shè)計(jì)主要先進(jìn)行以下改進(jìn)：(1)具備波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；(2)波形輸出頻率10 Hz～20 kHz，輸出幅值0～10 V，最大輸出功率18 W；(3)幅頻手動(dòng)可控，幅值增益最小調(diào)節(jié)0.5 dB,自定義頻率調(diào)節(jié)單位；(4)無波形數(shù)據(jù)輸出時(shí)，噪聲輸出電壓小于0.4 mV.

系統(tǒng)如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、幅頻調(diào)節(jié)單元及波形數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成。主控器通過SDIO接口從FAT文件系統(tǒng)中獲取波形數(shù)據(jù)文件，通過SPI總線將WAV數(shù)據(jù)流送至解碼器，解碼后高精度D/A輸出，經(jīng)過程控增益放大器調(diào)節(jié)幅值后送至功率放大器放大輸出。程控放大器增益由主控器控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 信號(hào)發(fā)生器硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件介紹

系統(tǒng)的主控制芯片采用的是32位處理器STM32F103ZET6，該芯片使用高性能的ARM Cortex-M3

32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高達(dá)512 K字節(jié)的閃存和64 K字節(jié)的SRAM．具有SDIO接口，最大數(shù)據(jù)傳輸速度48 Mbit/s.并且提供兩個(gè)SPI串行接口，最大通信速率18 Mbit/s.

2.2 SDIO接口電路設(shè)計(jì)

主控器支持MMC卡系統(tǒng)規(guī)范4.2版中的3種數(shù)據(jù)總線模式：1 bit、4 bits和8 bits．文中采用2.0版本Micro SD卡，通過4 bits數(shù)據(jù)總線模式完成數(shù)據(jù)通信。SD存儲(chǔ)卡與控制器的接口定義如下：

表1 SDIO接口定義

表1中，SDIO_CK時(shí)鐘是通過PC12引腳連接到SD卡的，是SDIO接口與SD卡用于同步的時(shí)鐘。所有命令及命令響應(yīng)，都是通過SDIO_CMD引腳來傳輸?shù)?4 bits數(shù)據(jù)總線是PC[8:11] 。主控器與Micro SD的硬件連接如圖2所示，

圖2 主控器與SDIO、SPI接口電路

2.3 SPI接口解碼器電路設(shè)計(jì)

波形數(shù)據(jù)采用的是WAV數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)與解碼，解碼芯片采用高性能解碼芯片VS1053，支持MP3及WAV數(shù)據(jù)流解碼。且內(nèi)部具有低功耗DSP 處理器內(nèi)核VS_DSP4，為用戶提供5 KB的指令RAM和0.5 KB的數(shù)據(jù) RAM。通過SPI總線接收數(shù)據(jù)流，解碼后18位高精度模擬量輸出，且內(nèi)置部分函數(shù)測試查找表。VS10534是通過7根線同主控器連接的，VS-XRST是復(fù)位信號(hào)線，低電平有效，VS-DREO是數(shù)據(jù)請求信號(hào)，通知主機(jī)是否可以接收數(shù)據(jù)，剩余的為SPI2四線接口，硬件電路見圖1。

2.4 輸出波形調(diào)節(jié)硬件電路設(shè)計(jì)

2.4.1 幅值調(diào)節(jié)電路

解碼器模擬量輸出后，為了達(dá)到高精度的幅值控制，采用程控增益放大器PGA2310。由于其增益調(diào)節(jié)范圍為+31.5～-95.5 dB，最小調(diào)歩距為0.5 dB，且噪聲低、失真小。硬件連接電路如圖3所示，主控器通過PGA_CS、PGA_DATA、PGA_CLK引腳控制輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的幅值比。由于解碼器輸出左右通道2路信號(hào)，程控增益放大器同樣也具備；2路放大與輸出，該設(shè)計(jì)只采用了圖中的一路信號(hào)VSOUT1及一路增益輸出信號(hào)POUT1。

圖3 幅值控制電路

2.4.2 功率放大電路

解碼器的信號(hào)輸出端已足夠驅(qū)動(dòng)20 Ω的負(fù)載，但是考慮到信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)所用的場合不同，輸出級(jí)的負(fù)載也不同，所以設(shè)計(jì)功率放大電路以滿足不同場合的需要。該設(shè)計(jì)采用TDA2030功率放大芯片，采用正負(fù)供電電源。該芯片具有上升速率高、失真小、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，最大輸出功率可達(dá)18 W，完全滿足常用場合要求。程控增益輸出信號(hào)通過1 μF的極性電容后與TDA2310的1號(hào)腳相連。如圖4所示：

圖4 功率放大電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 波形數(shù)據(jù)提取及幅頻調(diào)節(jié)

為了實(shí)現(xiàn)不同種類的信號(hào)輸出，利用SDIO接口將波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Micro SD卡中，并且在SDIO底層硬件驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上移植FAT文件系統(tǒng)。以正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為例，波形數(shù)據(jù)是以數(shù)字序號(hào)為文件名的WAV音頻文件。不同頻率的波形以不同數(shù)字作為文件名。FAT文件系統(tǒng)通過函數(shù)將存儲(chǔ)區(qū)的WAV波形文件名信息讀取出，可通過結(jié)構(gòu)體finfo訪問：f_mount(0,&fs);//注冊工作區(qū)，初始化盤符為0f_opendir(&dirs,path)；//打開卡的根目錄，并將這個(gè)根目錄關(guān)聯(lián)到dirs這個(gè)結(jié)構(gòu)指f_readdir(&dirs,&finfo);//讀取目錄信息result=strstr(finfo.lfname,".wav")；//判斷文件名圖1中，4個(gè)按鍵控制幅值與頻率，通過調(diào)用函數(shù)KEY_Scan()進(jìn)行按鍵掃描，按鍵S1、S2調(diào)節(jié)輸出波形幅值，按鍵S3、S4調(diào)節(jié)波形頻率。如圖5。

圖5 波形幅頻控制流程

3.2 WAV數(shù)據(jù)流解碼輸出

通過SPI2接口對VS1053解碼器進(jìn)行配置及數(shù)據(jù)流的傳輸。解碼器的寫時(shí)序如圖6所示，讀寫過程相似，都是先發(fā)指令后發(fā)地址，最后傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過SI端寫入，SO維持低電平，通過判斷DREQ電平?jīng)Q定是否進(jìn)行下一步操作。

圖6 解碼器寫時(shí)序

下面以一次數(shù)據(jù)傳輸為例：復(fù)位VS1053，調(diào)用VS_Soft_Reset()；配置工作寄存器，調(diào)用WriteRegister(3,0x98,0x00)，設(shè)置VS1053的時(shí)鐘3倍頻，調(diào)用WriteRegister(5,0xBB,0x81)，采樣率設(shè)置為48 K；傳輸波形數(shù)據(jù)，調(diào)用VS1053_WriteByte( buffer[count] )，一次最大32個(gè)字節(jié)，解碼數(shù)據(jù)流并模擬量輸出。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用上述配置，在Micro SD卡中存儲(chǔ)頻率10 kHz，幅值為0.4 V的正弦波形，解碼后，經(jīng)過程控增益放大器10倍增益放大，F(xiàn)OUT端信號(hào)輸出，示波器測得波形圖如圖7所示。

圖7 10 kHz正弦波形

由示波器測得結(jié)果可見，幅頻可控且波形頻率精確，最大誤差小于0.5%。無輸入時(shí)，基本無電壓。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了基于SDIO及SPI接口的信號(hào)發(fā)生器，移植了FAT文件系統(tǒng)作為系統(tǒng)存儲(chǔ)，采用按鍵及串口進(jìn)行幅頻調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)證明可實(shí)現(xiàn)不同種類的波形輸出，且幅頻調(diào)節(jié)精度高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王丹.采用DDS頻率合成的虛擬信號(hào)發(fā)生器研究.傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007,20(3) :586-591.

[2] 郝迎吉.基于VS1003 解碼器的信號(hào)發(fā)生器.儀表技術(shù)與傳感器，2013(2)：19-20.

[3] 盧華英.基于LabVIEW和FPGA的模擬信號(hào)源設(shè)計(jì).測控技術(shù)，2013(5):9-11.