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(xù)周期性變化，是一種調頻信號，聽起來不像純音信號的調高一成不變。在聽力學測試中，應用囀音有兩個方面的優(yōu)點：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生，從而成為一種重要的測試聲。傳統(tǒng)產生囀音的系統(tǒng)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實現(xiàn)。

2 囀音信號發(fā)生器的原理
2．1 囀音波形的簡化處理
    頻率調制是用低頻調制信號控制高頻載波頻率信號的過程。調頻過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。囀音實質上就是一調頻波，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(shù)，按實際選取，以確定調頻波頻率范圍；t1，t2為不同時間值。但在利用式(1)構造囀音波形時無法確定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，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(jù)囀音波形的構造特點，對其簡化處理，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(jù)．首先構造出單個頻率的純音信號所對應的一個周期波形，然后將上述4種角頻率的單周期純音信號進行積木式疊加．最后輸出這一整塊積木，進而得到對應頻率的囀音信號。
2．2 DDS技術簡介
    圖2給出DDS原理框圖。在對信號數(shù)字合成時，從初始相位開始，每隔固定時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入D／A轉換器。通過相位累加器在固定參考時鐘的控制下累加實現(xiàn)相位的改變。累加器溢出后完成一個周期的相位改變，D／A轉換器輸出一個周期的階梯信號，以通過低通濾波器得到平滑的輸出信號。通過改變相位增量(簡稱頻率字)來改變累加器的溢出速度，從而實現(xiàn)對輸出頻率的調節(jié)。

   
    式中；f0為輸出頻率信號；fs為參考時鐘頻率，反映波形離散點的發(fā)送速率；k為頻率字；n為相位累加器字長；△f為輸出信號頻率分辨率。
    通常按查表法進行相幅轉換。由于波形數(shù)據(jù)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(shù)部分，在下次求和時予以累計。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周期的波形就是根據(jù)上述原理構造的。由式(2)知，k=2nfo/fs。當系統(tǒng)要輸出fo純音信號時。因系統(tǒng)中fs固定，待選定相位累加字長后，即可通過上式求得對應的頻率字K，這就是通常意義上的步長。
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OP07對信號電壓放大：通過TIPl22和TIPl27組合成推挽方式對信號電流放大，以驅動耳機，產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損壞器件。二極管VD3,VD4用來向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(tǒng)中的高、低頻噪聲進行信號處理。圖3給出系統(tǒng)硬件電路圖。

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

   
    //產生一個正弦信號波形數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存放在sine[]數(shù)組中。phase：初始相位值。若要產生正弦信號。則相位值為90°，默認值為0；sine[]：輸出波形數(shù)組，離散數(shù)值存放在該數(shù)組中。
2．4．2 下位機編程
    下位機采用C語言中嵌入?yún)R編語言方式輸出波形，既可利用C語言控制方便和形象化的優(yōu)點，也可利用匯編語言清晰簡潔的工作流程，提高DDS的參考頻率。

2．5 可調性控制
2．5．1 強度控制
    通過設置IDAOH將D／A轉換器的滿程輸出電流，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口的輸出滿程電流為1 mA；②改變電阻R；③設置一個小于1的系數(shù)m，將其與存放囀音幅值的數(shù)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(tǒng)進行擴展時．可將信號對應的全部幅值存儲在單片機中，通過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(shù)據(jù)量。但是，可根據(jù)需求采用適當?shù)拇鎯ζ饔枰詳U展。但在利用外部存儲器時，應注意若硬性提高DDS參考周期，會限制可產生囀音的最大頻率。

4 實驗結論
    設定以5 dB為步進的衰減，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(shù)為10025，t通過在衰減前的電壓乘以該系數(shù)即可獲得要輸出的聲音強度。經過測試，該系統(tǒng)的精度值可達到1 dB。表1給出步進5 dB所對應的電壓值。

5 結語
    該系統(tǒng)設計精度高，雜音少，結構簡單，成本較低，利用軟件編程即可實現(xiàn)dB檔的衰減，大大簡化系統(tǒng)的硬件電路設計。利用軟件編程使其具有良好的復制性，無需改動硬件電路就可用作其他聲音信號發(fā)生器，同時還可方便地擴展。