基于DDFS的程控音頻儀器測試信號源設計

張仁民，錢瑩晶，李 健

（懷化學院 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計

張仁民，錢瑩晶，李 健

（懷化學院 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）技術的可編程音頻儀器測試信號源設計。該系統采用單片機作為控制器，以FPGA（現場可編程門陣列）作為信號源的主要平臺，利用DDFS技術產生一個按指數衰減的頻率可調正弦衰減信號。測試結果表明，該系統產生的信號其幅度可以按指數規律衰減；其頻率可以在1～4 KHz頻率范圍內按1 Hz步長步進。可以方便的用于測試音頻儀器設備的放大和濾波性能。

直接頻率合成；音頻；現場可編程門陣列；放大器；濾波器

在各種音頻儀器設備的設計和維護中，廣泛利用音頻信號源測試這些設備的工作狀態和性能指標。放大器和濾波器是音頻設備中兩個基本功能模塊，所以測試設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準測試源的音頻測試信號源。設計和制作一套供音頻設備測試用（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用價值。

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，大的動態范圍用于表征放大器具有很強的對信號大小的適應能力；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源，以用于測試電路對不同頻率信號的加權能力——頻率響應。綜上所述，對音頻儀器設備的測試源的設計和選擇有幅度可變、頻率可調兩個基本要求。通常的激勵源只能做到單一的幅度可調 （而頻率不變）或者頻率可調 （而幅度不變），沒有二者皆同時可調，這樣就導致了測試效率極低。為了提高測試效率，可以采用以正弦為載波包絡按指數衰減的信號作為測試源。

1 原理及仿真

1.1 設計原理

如圖1所示，該信號為按指數衰減的正弦信號，即其包絡為單邊衰減的指數信號，包絡內是按正弦載波振蕩的。這樣指數衰減的包絡能反映出信號由大到小的變換規律，能滿足放大性能動態范圍的測試；而頻率可調可以方便頻率響應的測試。根據實際需要，文中所討論的音頻信號源需要具備如下參數：正弦波頻率1～4 kHz可調；調整步長1 Hz；初始相位為零；幅度按指數規律衰減；手動觸發一次發出一個衰減正弦波；衰減到初始幅度的10%需延續時間100～1 000 ms。

圖1 指數規律衰減正弦振蕩信號Fig.1 An exponential decay sinusoid waveform

1.2 理論計算與仿真

按指數包絡衰變的正弦振蕩信號，在數學上實際就是單邊指數衰減信號和正弦信號在時域上相乘。即

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

該式說明最終實現的指數規律衰減正弦信號其頻譜S（jΩ）是原指數信號頻譜 SB（jΩ）線性搬遷到正弦載波的載頻Ωc處。

圖2 指數衰減信號與已調信號時域matlab仿真圖Fig.2 Exponential decay signal and modulated signal simulation in time-domain

為了驗證分析的正確性和DDFS技術能在FPGA內實現，需要對上述基帶和已調信號進行matlab仿真和計算。圖2為指數衰減信號與已調信號時域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a為20的指數信號；下面的子圖為上述指數信號和頻率為1 kHz、抽樣頻率為4 kHz的正弦序列相乘后的已調信號的時域波形，即為所要得到的結果。從仿真結果來看，這符合設計要求。

圖3為指數衰減信號與已調信號頻譜matlab仿真圖，與圖2的時域子圖子圖相對應。需要說明的是該幅度譜利用的是512點的FFT對基帶指數信號和已調信號進行分析得到。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信號頻譜的中心頻率應該出現在1 000/7.812 5 Hz=128處[2-3]。從仿真結果證明可以看出這個結果完全正確。

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

2 系統設計及工作原理

為得到滿足測試要求的可編程音頻儀器測試信號源，需要根據上述仿真的原理在具體的器件平臺上實現。圖4給出了基于DDFS技術的可編程音頻儀器測試信號源的系統設計框圖。從該圖上可以看出，系統以51系列單片機為控制中心，接收鍵盤置入的正弦載波頻率，經過計算后產生FPGA內部DDS模塊所需要的頻率字，DDS模塊根據這一頻率字利用FPGA內部的邏輯產生符合設計要求的按指數規律衰減的正弦振蕩信號，然后經過DA轉變為模擬信號，最后通過低通平滑濾波器產生最終的輸出信號。

圖4 音頻儀器測試信號源系統設計框圖Fig.4 Design diagram of waveform generator for testing audio instruments

3 硬件設計

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

3.1 DAC模塊

如圖5所示在FPGA內部實現的數字相乘（調制）需要通過DAC轉變成為模擬信號，這里的DAC采用的是14位的高速DA，再經過運放OPA690將差分電流轉為單端電壓信號[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DA輸出的信號經過兩級由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 軟件設計

本系統的軟件包括兩部分：一是單片機控制器的軟件設計；另一部分是FPGA的邏輯設計部分。

4.1 單片機控制程序

51單片機主要起到控制中心的作用，具體包括人機接口、參數計算、控制數據傳送給FPGA。這部分的軟件流程圖如圖7所示。

4.2 FPGA內部邏輯設計

這部分的軟件（邏輯設計）是本系統的一個重點。主要包括指數衰減ROM1、正弦信號ROM2，、數字乘法器等3個模塊。圖8為指數衰減信號產生模塊；圖9所示為正弦信號產生模塊，采用的是DDS技術，這兩部分其實都是通過matlab文件計算后生成的定點初始化文件存入到FPGA的片上RAM中[6]；圖10給出的是實現前兩個模塊相乘的14位數字乘法器，用于實現數字調制器[7]。

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

圖8 指數衰減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 數字乘法器的模塊原理圖Fig.10 Schematic for Digital multiplier

圖11給出了邏輯設計完后在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 測試結果

至此，軟硬件設計完畢。為了驗證設計的正確性，對設計的系統進行了模塊測試和系統聯調。測試的波形結果如圖12所示。該圖說明設計的系統滿足設計的要求。

6 結束語

圖12 通過示波器實測波形Fig.12 Waveform measured by oscilloscope

針對音頻儀器設備中放大和濾波特性的測試中需要對頻率1～4 kHz可調；調整步長1 Hz；初始相位為零；幅度按指數規律衰減；手動觸發一次發出一個衰減正弦波；衰減到初始幅度的10%需延續時間100～1 000 ms。

[1]鄭君里.信號與系統上冊[M].2版.北京:高等教育出版社，2000.

[2]程佩青.數字信號處理教程[M].2版.北京:清華大學出版社，2001.

[3]維納.K.英格爾著.數字信號處理（Matlab版）[M].劉樹棠譯.西安:西安交通大學出版社，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.EDA技術實用教程—VHDL版[M].4版.北京:科學出版社，2010.

[7]左偉華，萬莉莉，王帥，等.高精度DDFS信號源FPGA實現[J].電子設計工程，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

湖南省懷化學院科研資助項目（HHUY2008－07）；湖南省教育廳科學技術研究項目（10C1057）

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