1 引言
信号发生器是常用作测试的信号源或激励源的设备,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。随着电子技术的发展,目前广泛使用的信号发生器在原理各有千秋,但总体来说价格偏高、体积庞大[1]。本文设计了一种基于MP3播放器/数码录音笔的信号发生器,除了可以解决上述问题之外,还有能产生任意波形,可重复擦写,方便库函数管理,操作简单等优点,适用于低频测试,实验教学等领域。
2 系统总体框图
系统核心器件是带直录功能的MP3音频播放器和数码录音笔,由两条输入通道、一条输出通道以及供电模块组成。系统框图如图1所示。
2.1 信号采集及保存
系统能够通过两种方法实现信号的采集及保存。
方法一是利用MP3/录音笔自带的Line-In线路功能,通过Line口采集自信源输出的模拟信号,经前置放大器、有源低通滤波器和直流偏置电路,完成对录入波形的放大、整形与调零,最终保存到播放器里。
方法二是利用音乐合成软件,通过设置相关参数来产生不同音频信号,经USB接口保存到播放器中。
2.2 波形产生及使用
通过信号的采集,播放器里已经存储了各种音频信号,将播放器耳机口与后置电路输入端连接,经后置放大电路、直流偏置电路、整形电路、功率放大电路调理后的信号可直接作为测试信号输出或连接示波器观察。
2.3 供电模块
供电模块由两部分组成,分别为播放器自带电池和外围调理电路电源。后者采用两块3.7V锂电池串联,经DC/DC变换器转化为±12V和+5V电压为外围电路供电。
3 系统硬件设计与测试
3.1 前置电路
针对信号源发出波形的不同,将采用不同的放大整形电路。
3.1.1 模拟信号通道
对于正弦波、三角波等连续信号,采用同相比例放大器放大,分压式连接电压跟随器提高带负载能力,经二阶压控低通滤波器和直流偏置电路,使到达Line口的模拟信号在播放器频率范围和幅值范围内。图2、3、4分别给出这三部分电路形式。
(1) 前置放大电路:
令放大倍数
取
2) 二阶压控有源低通滤波电路[2]:
取
则放大倍数
3.1.2 数字信号通道
对方波,脉冲等带宽信号,可以采用宽带放大器放大,为简化电路,这里直接使用反相器整形输出[3]。典型电路如图5所示。
3.2 后置电路
针对不同输出要求,分别采用带施密特触发器的反相器整形电路输出、功率放大输出和直接输出。
给出典型电路如图6。
3.3 性能测试
3.3.1 放大电路幅度特性
经测试,放大电路对20Hz~20KHz范围内不同幅度的信号放大倍数基本一致,可达10~60倍。
3.3.2 滤波电路幅频特性
由于实验采用典型低通滤波器,这里只给出幅频特性曲线如图7。3.3.3 功率放大
设计采用TDA1521音频放大器,输入信号为2KHz的正弦波时放大倍数如下表1。
3.3.4 反相器整形
在电源和地之间连接小电容,可以明显改善方波、脉冲整形效果。此外反相器对小信号的整形效果好于大信号。经测试,当输入信号在30mV以下时,能得到完好的波形。
4 系统软件设计与测试
4.1 方案选择
关于如何生成*.mp3的电信号文件,可采用以下几种方案:
① 把*.c格式(或者其他可以生成正弦波的格式,如*.hex)转换为音乐播放器可识别的格式,即将文本文件→音频文件;
② 用类似音乐合成器的软件/硬件,通过调整合适参数制作正弦波,甚至是方波,调制波。
③ 对X信号进行MPEG编码,生成x.mp3文件,使其输出电平符合正弦波规律,求解X信号应该是什么。
综合考虑,从可行性出发,以思路②为突破口找到了解决方法。
4.2 方案设计
随着网络音乐制作的大众化与电音设备的不断发展,制作者利用电子音乐合成器,选择应用电钮就能产生各种奇妙的音乐。这里采用一款名为FL Studio的录音软件完成了mp3格式任意信号的制作,并对相关参数设置做了进一步研究。
4.3 参数测试
下面以3xOsc插件为例,给出主控音高和通道音高同时为0dB时,钢琴卷帘上白键对应的输出频率(表2)、3xOsc插件参数配置(图8)、钢琴卷帘部分示意图(图9)以及频率-按键快速查找方法(图10)。
经测试表明,FL的3xOsc插件至少可以输出频率范围为1Hz～20KHz的信号,完全能够满足MP3的播放范围。
5 系统联调评价
5.1 幅度性能
由于不同播放器的音量输出范围不同,以OPPO-D29L型号的MP3为参考给出播放器音量对输出振幅的影响。
5.2 频率性能
由于不同播放器的截止频率有一定差异,同样以OPPO-D29L型号的MP3为参考给出播放器的频率极限。
5.3 波形性能
图11-图16为电路的波形测试;其中第一路为输入,第二路为输出。
功率放大电路正弦波测试见图11。数字电路方波整形测试见图12;脉冲整形测试见图13。电压跟随器电路正弦波测试见图14;锯齿波测试见图15;三角波测试见图16。
经联调测试表明,基于MP3播放器及数码录音笔的信号源输出波形质量良好,电压调节范围可从mV量级到V量级,正弦波输出频率范围20Hz~20KHz,其他波形输出频率范围1KHz~5KHz,电源可持续供电1h左右,在音频范围内满足设计要求。
6 结束语
基于MP3/录音笔的信号发生器使用灵活,通过前/后置电路分模块控制,可以产生多种波形,具有操作简单,价格低廉等优点。
针对固件局限于音频范围的问题,可以通过在外围电路中添加分频、倍频模块解决。
参考文献:
[1] 原玢．多功能便携式信号发生器设计[J].标准、检测与仪器,2011,35(15):138-140.
[1] 童诗白,华成英．模拟电子技术基础[M].第三版.北京:高等教育出版社,2001.
[2] 阎石主编.数字电子技术基础[M].第四版.北京:高等教育出版社,1998.
作者简介:朱建新(1955-),男,副教授,研究方向:控制理论与控制工程。