音頻信號發(fā)生器是測量聲音信號及處理設(shè)備性能指標(biāo)必不可少的儀器。目前常用的音頻信號發(fā)生器普遍由單片機(jī)及外圍電路組成，頻率穩(wěn)定。下面小編為大家介紹音頻信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)步驟與過程。
音頻信號發(fā)生器設(shè)計(jì)實(shí)例分享：
針對傳統(tǒng)音頻信號發(fā)生器的缺點(diǎn)，本文采用一款性價(jià)比高、功耗低的ARM Cortex-M4控制芯片，制作了一臺智能音頻信號發(fā)生器。該發(fā)生器的頻率、幅度連續(xù)可調(diào)，按步進(jìn)1 Hz、1 mV線性變化，兼具頻率、幅度穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)；通過PC端控制面板，直接輸入幅度、頻率值，就能快速地得到所需要的音頻信號，精度高；一改信號發(fā)生器必須近距離調(diào)試的缺點(diǎn)，可通過以太網(wǎng)直接遠(yuǎn)距離操控。
1、總體設(shè)計(jì)
該音頻信號發(fā)生器采用模塊化設(shè)計(jì)，通過調(diào)用各個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)可遠(yuǎn)距離快速控制音頻信號發(fā)生器輸出信號的幅度、頻率值。該系統(tǒng)以ARM Cortex-M4為核心。
2、硬件設(shè)計(jì)
該音頻信號發(fā)生器通過主控計(jì)算機(jī)的控制面板輸入控制幅度、頻率值的指令，通過以太網(wǎng)快速遠(yuǎn)距離傳輸?shù)叫盘柊l(fā)生器，控制數(shù)字合成音頻信號的幅度、頻率值，終通過音頻輸出端口輸出所需音頻信號。
2.1控制芯片
控制系統(tǒng)的核心STM32F429是以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的新型微控制器芯片，它的停止模式電流降至100μA（典型值），降低了停止模式的電流消耗，可延長便攜應(yīng)用電池的壽命，頻率高達(dá)180 MHz，擁有市場的性能和圖形處理功能。該芯片包含3個(gè)12 bit A/D轉(zhuǎn)換器，多達(dá)24個(gè)通道，轉(zhuǎn)換速率為2.4 MSPS，在掃描模式下，自動轉(zhuǎn)換在選定的一組模擬輸入中進(jìn)行；還包括2個(gè)12 bit D/A轉(zhuǎn)換器，可獨(dú)立或同時(shí)轉(zhuǎn)換。同時(shí)集成了大部分存儲器控制器，可外接一個(gè)高速SDRAM作為內(nèi)存擴(kuò)充，有很高的性價(jià)比。
2.2遠(yuǎn)距離控制電路
以太網(wǎng)遠(yuǎn)距離控制是整個(gè)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分。該發(fā)生器通過以太網(wǎng)與PC連接，操控PC控制面板，按照要求輸入所需的幅度、頻率值，通過以太網(wǎng)把控制命令遠(yuǎn)距離地傳輸給音頻信號發(fā)生器，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。
該以太網(wǎng)接口芯片DP83848CVV是一個(gè)全功能自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)連接速度10/100 Mb/s的單端口物理器件，允許設(shè)備使用所需操作電源的小值，提供低功耗性能。該芯片包括一個(gè)25 MHz的時(shí)鐘輸出，使應(yīng)用程序含有少的外部器件，進(jìn)而降低成本；同時(shí)支持10BASE-T和100BASE-TX的以太網(wǎng)協(xié)議，以確保與其他基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)解決方案的兼容性和互操作性。
2.3 SDRAM
同步動態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM與系統(tǒng)總線同步，無等待周期，而且是雙存儲體結(jié)構(gòu)，讀取效率得到成倍提高。SDRAM體積小、速度快、容量大、價(jià)格低，是比較理想的內(nèi)存擴(kuò)展器件。
該系統(tǒng)采用的SDRAM為MT48LC32M16A2P-7E，它的內(nèi)存高達(dá)256 MB，在時(shí)鐘頻率66 MHz、100 MHz、133 MHz之間兼容，所有信號寄存在系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿，自動預(yù)載，時(shí)鐘使能CKE中的停用時(shí)鐘提供預(yù)充電掉電和自刷新操作，在斷電和自刷新模式下，包括CLK的輸入緩沖區(qū)被禁用，提供低待機(jī)功耗。對每一行自動刷新的循環(huán)周期為64 ms，刷新命令一次對一行有效，發(fā)送間隔為7.812 5μs，從而提供無縫、高速、隨機(jī)訪問操作。A0～A11作為SDRAM的行地址線，同時(shí)A0～A7又復(fù)用為列地址線，BA0和BA1作為bank選擇線，應(yīng)用讀、寫或預(yù)充電命令。
信號采樣頻率為48 kHz，每個(gè)樣點(diǎn)采用16 bit量化，如果小頻率分辨率為1 Hz，所需查表的大小為48 k×16 bit，共需48 k×16 bit的RAM空間。顯然SDRAM的存儲空間足夠使用，也便于以后該發(fā)生器對方波、三角波等波形的擴(kuò)展。
3、軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，除主程序外，各功能子程序分別執(zhí)行PC端輸入控制命令、以太網(wǎng)傳輸、SDRAM內(nèi)存擴(kuò)展、正弦查詢表映射、數(shù)模轉(zhuǎn)換等相應(yīng)功能。
3.1 PC端控制
信號發(fā)生器可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等規(guī)則波形信號，本信號發(fā)生器僅以正弦波為例。
音頻信號發(fā)生器的PC控制端采用Java技術(shù)，因?yàn)樗煽缙脚_操作，具有卓越的通用性、高效性，所以設(shè)計(jì)的PC控制端具有界面友好、操作簡單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
JPanel jp0，jp1；
JPanel jp2，jp3；
JLabel j0，j1，j2；
JTextField txt1，txt2；
JButton Bopen，Bclose；
public TianComm（）{
jp0=new JPanel（）；
jp1=new JPanel（）；
jp2=new JPanel（）；
jp3=new JPanel（）；
j1=new JLabel（"頻率（Hz）："）；
//輸入頻率值，單位為Hz
j2=new JLabel（"幅度（mV）："）；
//輸入幅度值，單位為mV
txt1=new JTextField（10）；
txt2=new JTextField（10）；
Bopen=new JButton（"打開"）；//打開控制面板
Bclose=new JButton（"關(guān)閉"）；//關(guān)閉控制面板
…}
對控制界面進(jìn)行操作時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
（1）“打開”和“關(guān)閉”按鈕分別代表打開和關(guān)閉控制端；
（2）頻率以Hz為單位，分辨率為1 Hz，假如頻率為2 000 Hz，就在頻率欄填寫2 000；幅度以mV為單位，分辨率為1 mV，假如需要1 V，則在幅度行輸入1 000，然后按回車鍵即可。
3.2數(shù)字合成音頻信號
直接采用數(shù)字技術(shù)合成正弦音頻信號，不僅在轉(zhuǎn)換速度上要優(yōu)于一般電路，在合成精度上也要優(yōu)于一般振蕩電路，而且具有與標(biāo)準(zhǔn)頻率源相同的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。輸出信號頻率通常可按十進(jìn)制數(shù)字選擇，能達(dá)11位數(shù)字的極高分辨力。
信號發(fā)生部分由主機(jī)產(chǎn)生數(shù)字音頻流，通過STM32F429自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能獲得所需的模擬信號。在數(shù)字音頻處理中，聲音和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換有多種方式，本設(shè)計(jì)采用脈沖編碼調(diào)制（PCM），不進(jìn)行壓縮數(shù)據(jù)便可完成此功能，數(shù)據(jù)以常見的波形（WAVE）格式保存。關(guān)于頻率設(shè)置的部分程序如下：
int FreSwitch（uint16_t fre）
{
switch（fre）{
case 20：
FreIndex=0；
VS1003_SineTest（2，SIN_SAMPLE_RATE_25600，1）；
//20 Hz break；
case 21：
FreIndex=1；
VS1003_SineTest（2，SIN_SAMPLE_RATE_16000，2）；
//21 Hz
break；
case 22：
FreIndex=2；
VS1003_SineTest（2，SIN_SAMPLE_RATE_40320，1）；
//22 Hz
break；
…}
4、實(shí)物調(diào)試
整個(gè)研究過程通過了模擬試驗(yàn)及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，終實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。
該信號發(fā)生器的截止頻率設(shè)定為20 kHz，大于20 kHz的信號都是干擾信號，通過較大幅度的衰減進(jìn)行濾除，從而保證較小的信號諧波失真。
接通電源后，通過計(jì)算機(jī)控制信號發(fā)生器的信號頻率、幅值等參數(shù)，通過以太網(wǎng)把控制命令字傳輸給發(fā)生器，發(fā)生器對控制字進(jìn)行周期性掃描，頻率、幅度控制字需要轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，傳送到單片機(jī)STM32F429，接到命令后通過正弦查詢表映射成數(shù)字量信號，通過單片機(jī)本身的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能即可得到所需的音頻信號。由于輸出后的正弦信號會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，需通過濾波器進(jìn)行濾波，從而得到正確的正弦信號。
通過示波器對設(shè)計(jì)的音頻信號發(fā)生器發(fā)出的音頻信號進(jìn)行采集。
通過測試，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的音頻信號發(fā)生器的基本功能達(dá)到了預(yù)期效果，其頻率響應(yīng)為±0.4 dB，失真度控制在0.5%，而傳統(tǒng)音頻信號發(fā)生器的失真度在20 Hz～100 Hz時(shí)≤0.8%，在100 Hz～20 kHz時(shí)≤0.5%。
5、結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的音頻信號發(fā)生器具有操作簡單、信號穩(wěn)定、精度高、體積小、便于攜帶等特點(diǎn)，可應(yīng)用于電聲器件的聽音測試、揚(yáng)聲器的老化試驗(yàn)等各種音頻電子測量和控制場合。通過PC控制端直接輸入所需音頻信號的幅度、頻率值，借助以太網(wǎng)遠(yuǎn)距離控制，而不必每次親臨現(xiàn)場，也不必每次通過粗調(diào)、細(xì)調(diào)即可達(dá)到要求。通過集線器可同時(shí)輸出多路相同音頻信號，對多臺相同儀器進(jìn)行測量。利用數(shù)字合成技術(shù)合成音頻信號，簡化電路，具有與標(biāo)準(zhǔn)頻率源相同的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度；也可合成方波、三角波等規(guī)則波形，只需在PC控制面板上添加信號類型選擇項(xiàng)即可實(shí)現(xiàn)硬件的單一化、軟件的多元化，節(jié)約成本。
標(biāo)簽:
音頻信號發(fā)生器
