基于DDS的8051F330囀音信號發(fā)生器

1 引言
囀音指純音信號在某一中心頻率處所發(fā)生音調高低的連續周期性變化，是一種調頻信號，聽(tīng)起來(lái)不像純音信號的調高一成不變。在聽(tīng)力學(xué)測試中，應用囀音有兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：一是囀音更能引人注意。并提高小兒對聲音的興趣；二是應用囀音可減少駐波的產(chǎn)生，從而成為一種重要的測試聲。傳統產(chǎn)生囀音的系統采用集成電路。因其強度和頻率的可調性差，結構復雜，從而提出了一種結構簡(jiǎn)單，可調性較高的囀音發(fā)生器。該發(fā)生器基于DDS造波原理，并利用軟件編程，采用8051單片機作為主控制器來(lái)實(shí)現。

2 囀音信號發(fā)生器的原理
2．1 囀音波形的簡(jiǎn)化處理
頻率調制是用低頻調制信號控制高頻載波頻率信號的過(guò)程。調頻過(guò)程中載波幅值保持不變，載波頻率隨調制信號的幅值成正比變化。囀音實(shí)質(zhì)上就是一調頻波，即用5 Hz正弦波作為調制波，以調制更高頻率的正弦載波而得到的信號，其整合過(guò)程如圖1a所示。正弦載波的公式為：
sin[(ω0+msin(ωo,t1))t2] (1)
式中：ω0為載波角頻率；ωc為調頻波角頻率；m為調頻系數，按實(shí)際選取，以確定調頻波頻率范圍；t1，t2為不同時(shí)間值。但在利用式(1)構造囀音波形時(shí)無(wú)法確定t1，t2的取值，所以這種方法不可取。

由式(1)可知，msin(ωct1)的取值范圍為[-m，m]，中心頻率為ω0時(shí)，其調制波信號的頻率范圍為[ω0-m，ω0+m]。中心頻率確定的囀音信號波形由上截止頻率、下截止頻率和中間頻率的純音波形構成。根據囀音波形的構造特點(diǎn)，對其簡(jiǎn)化處理，將組成囀音波形的純音信號按頻率低到高依次排列，即可得圖1b所示的簡(jiǎn)化波形。由圖1b可知，頻率為ω的囀音信號可由角頻率ω0～ω3的純音信號依次進(jìn)行銜接構成。該信號發(fā)生器的主要設計思路是以上述原理為依據．首先構造出單個(gè)頻率的純音信號所對應的一個(gè)周期波形，然后將上述4種角頻率的單周期純音信號進(jìn)行積木式疊加．最后輸出這一整塊積木，進(jìn)而得到對應頻率的囀音信號。
2．2 DDS技術(shù)簡(jiǎn)介
圖2給出DDS原理框圖。在對信號數字合成時(shí)，從初始相位開(kāi)始，每隔固定時(shí)間以一定的相位增量改變一次相位．并將對應的信號幅值寫(xiě)入D／A轉換器。通過(guò)相位累加器在固定參考時(shí)鐘的控制下累加實(shí)現相位的改變。累加器溢出后完成一個(gè)周期的相位改變，D／A轉換器輸出一個(gè)周期的階梯信號，以通過(guò)低通濾波器得到平滑的輸出信號。通過(guò)改變相位增量(簡(jiǎn)稱(chēng)頻率字)來(lái)改變累加器的溢出速度，從而實(shí)現對輸出頻率的調節。

式中；f0為輸出頻率信號；fs為參考時(shí)鐘頻率，反映波形離散點(diǎn)的發(fā)送速率；k為頻率字；n為相位累加器字長(cháng)；△f為輸出信號頻率分辨率。
通常按查表法進(jìn)行相幅轉換。由于波形數據有限，一般只能取相位累加器的高位m作為查表指針。后位(n―m)可視為小數部分，在下次求和時(shí)予以累計。該信號發(fā)生器中所應用的與固定頻率純音信號對應的一個(gè)周期的波形就是根據上述原理構造的。由式(2)知，k=2nfo/fs。當系統要輸出fo純音信號時(shí)。因系統中fs固定，待選定相位累加字長(cháng)后，即可通過(guò)上式求得對應的頻率字K，這就是通常意義上的步長(cháng)。
2．3 硬件電路設計
該發(fā)生器采用8051F330單片機作為主控制器：采用外部晶振11．059 2 MHz作為振蕩器：將P01口配置為模擬輸出，并作為D／A轉換器的輸出口。以1．2 V為基準，通過(guò)OP07對信號電壓放大：通過(guò)TIPl22和TIPl27組合成推挽方式對信號電流放大，以驅動(dòng)耳機，產(chǎn)生人耳能識別的囀音。OP07是一種精密、低噪聲和低漂移的運算放大器，內部有短路保護機制，用以防止負載短路時(shí)損壞器件。二極管VD3,VD4用來(lái)向TIPl22和TIPl27提供偏置電壓，以消除交越失真。為了消除電源信號中的高頻噪聲，采用RC高通濾波器電路和低通濾波電路對系統中的高、低頻噪聲進(jìn)行信號處理。圖3給出系統硬件電路圖。

2．4 軟件設計
2．4．1 上位機編程
CVI作為一個(gè)用于建立自動(dòng)測試系統的理想軟件開(kāi)發(fā)系統，提供了大量用于信號分析和處理的函數，極大地滿(mǎn)足了工程人員的需要。CVI中信號的產(chǎn)生庫位于Library-Advanced Analysis-Signal Generation下，可以產(chǎn)生沖擊、脈沖、斜坡、正弦、噪聲及三角波等信號，利用數學(xué)方法產(chǎn)生所需信號的離散數據序列。

//產(chǎn)生一個(gè)正弦信號波形數據，并把數據存放在sine[]數組中。phase：初始相位值。若要產(chǎn)生正弦信號。則相位值為90°，默認值為0；sine[]：輸出波形數組，離散數值存放在該數組中。
2．4．2 下位機編程
下位機采用C語(yǔ)言中嵌入匯編語(yǔ)言方式輸出波形，既可利用C語(yǔ)言控制方便和形象化的優(yōu)點(diǎn)，也可利用匯編語(yǔ)言清晰簡(jiǎn)潔的工作流程，提高DDS的參考頻率。

2．5 可調性控制
2．5．1 強度控制
通過(guò)設置IDAOH將D／A轉換器的滿(mǎn)程輸出電流，配置為2 mA，結合P01口外接電阻可知，該I／O口的最大輸出電壓為2x10-3V。由上述可知，改變囀音強度的方法有：①配置D/A轉換器，使POI口的輸出滿(mǎn)程電流為1 mA；②改變電阻R；③設置一個(gè)小于1的系數m，將其與存放囀音幅值的數組X[n]相乘，這就相當于改變了波形采樣中的最大幅值。
2．5．2 頻率控制
中心頻率不同的囀音信號對應不同的高截止頻率和低截止頻率，通過(guò)輸出構成不同囀音信號的單周期純音信號，以達到控制頻率的目的。

3 擴展與優(yōu)化
對該系統進(jìn)行擴展時(shí)．可將信號對應的全部幅值存儲在單片機中，通過(guò)D／A轉換器輸出所要求的聲音。由于單片機存儲容量的局限性，大大限制了可存儲的最大數據量。但是，可根據需求采用適當的存儲器予以擴展。但在利用外部存儲器時(shí)，應注意若硬性提高DDS參考周期，會(huì )限制可產(chǎn)生囀音的最大頻率。

4 實(shí)驗結論
設定以5 dB為步進(jìn)的衰減，即可由201g(U／U1)=5(U為輸出電壓；U1為輸入電壓)得到電壓的衰減系數為10025，t通過(guò)在衰減前的電壓乘以該系數即可獲得要輸出的聲音強度。經(jīng)過(guò)測試，該系統的精度值可達到1 dB。表1給出步進(jìn)5 dB所對應的電壓值。

5 結語(yǔ)
該系統設計精度高，雜音少，結構簡(jiǎn)單，成本較低，利用軟件編程即可實(shí)現dB檔的衰減，大大簡(jiǎn)化系統的硬件電路設計。利用軟件編程使其具有良好的復制性，無(wú)需改動(dòng)硬件電路就可用作其他聲音信號發(fā)生器，同時(shí)還可方便地擴展。