论文总字数：11238字

摘 要

扬声器是一种换能元器件,它能将能够将电信号转化成声信号，在实际生活中具有广泛的应用。因此，其性能的优劣对于扬声器自身有着非常大的影响。产品的质量好坏对一个公司来说至关重要，所以为了能够既快速又高效地检测一个扬声器的质量好坏，那么就需要在扬声器的生产线上来进行质量指标检测。检测方法就是通过扫频信号来输入激励，从而找到F0频率点，即低频谐振频率点。老的设备由几台仪器组成，所以缺少数据处理能力。然而利用单片机来产生扫频信号，进行数据处理，就可以快速地显示读出和建立数据档案，这样一来，扬声器的质量测试速度就能大幅度的提高。

关键词：扬声器；低频谐振频率；单片机；DDS

The Hardware Design of Loudspeaker Line F0

Abstract

Loudspeaker is a transduction component which can change the electric signal into the acoustic signal. Its performance has a very large impact on quality. The quality of the product quality is very important for a company. So in order to quickly and efficiently detect the quality of a loudspeaker. You need to test the quality in the production line. The detection method is through the frequency sweep signal to input to find the F0 frequency, The low frequency resonant frequency. The old equipment is composed of several instruments, so the lack of data processing ability. However, the use of single-chip microcomputer to generate sweep signal, processing the data, you can quickly read and set up a data file, so that the quality of the loudspeaker test speed can be greatly improved.

Key words: Louderspeaker; Low Frequency Resonance Frequency; Single Chip Microcomputer; DDS

目录

摘 要 3

Abstract 4

第一章 绪论 6

1.1课题研究的目的及意义 6

1.2 论文结构 6

第二章 扬声器的性能介绍 7

2.1 扬声器的工作原理 7

2.1.1扬声器的阻抗特性 7

2.1.2扬声器的谐振频率 7

2.1.3扬声器的相移特性 8

2.2 扬声器的主要技术指标 8

2.3 本章小结 10

第三章 系统总体设计 11

3.1 系统设计要求 11

3.2 系统设计方案论证 11

3.2.1信号发生电路设计方案 11

3.2.2单片机方案的选择 11

3.2.3显示器方案的选择 12

3.2.4软件的选择 12

第四章 扬声器生产线F0测试仪硬件设计 13

4.1 主控系统C8051F005单片机 13

4.2 F0测试仪测试原理 13

4.3 基于DDS技术实现信号发生器 13

4.3.1 概述 13

4.3.2 相位累加器的设计以及实现 16

4.3.3 D/A转换器 16

4.3.4 模拟低通滤波器LPF 17

4.3.5 功率放大器 17

4.4 系统总体设计电路图 17

4.5本章小结 18

第五章 总结与展望 19

致谢 20

第一章 绪论

1.1课题研究的目的及意义

扬声器是能将能够将电信号转化成声信号的一种，在实际生活中具有广泛的应用。因此，其性能的优劣对于扬声器自身有着非常大的影响。因此产品的质量好坏很重要。所以为了能够高效、快速的检测扬声器的质量好坏，就需要在扬声器生产线上进行质量指标检测。检测方法就是通过扫频信号来输入激励，从而找到F0频率点，即低频谐振频率点。老的设备由几台仪器组成，所以缺少数据处理能力，而且浪费资源。然而利用单片机来产生扫频信号，进行数据处理，结果就可以快速地显示读出和建立数据档案，这样可以大大提高扬声器质量测试的速度，提高工作效率。

1.2 论文结构

论文共五个部分，包括第一章 绪论；第二章 扬声器性能介绍；第三章 系统总体设计；第四章 扬声器生产线F0测试仪硬件设计；第五章 总结与展望。

第二章 扬声器的性能介绍

2.1 扬声器的工作原理

2.1.1扬声器的阻抗特性

扬声器的阻抗特性需要用扬声器的阻抗曲线表达，阻抗曲线是这样一类曲线，它反映了扬声器的阻抗模值随着频率变化的程度。根据所学知识可知，电动式扬声器的等效电路可以用如下图表示，（其中Re、Le为扬声器的直流电阻和电感，Cm、Lm、 Rm分别电端的等效电容和电感、电阻。）因此，扬声器的总阻抗表示为：Z=Ze Zm（其中，Zm为电端的等效电阻抗，Ze为静态电阻抗。）

图2-1 扬声器等效图

2.1.2扬声器的谐振频率

由2-2图发现，图中有两个特征频率f₀和fn，其中f₀为扬声器的谐振频率，可见其对应于阻抗模值随频率递增变化时的第一个最大值。这里解释一下谐振的本质，谐振的本质是扬声器的机械振动部分的反应阻抗发生并联谐振。谐振时，并联阻抗到达最大值，扬声器磁场中的振幅达最大值，反电动势也最大。

图2-2 扬声器阻抗特性图

2.1.3扬声器的相移特性

从扬声器的整个频响系统可以知道，扬声器的谐振频率（扬声器的低频截止频率）值是很小的，所以，当扬声器产生谐振时，扬声器总阻抗可以忽略扬声器的音圈电感Le的影响，扬声器的阻抗性质可参考如下：

（1） flt;fc时，电流滞后于电压，扬声器此时呈现出感性；

（2） f=fc时，扬声器可等效为纯电阻，电压电流是同相的；

（3） f gt;fc时，电流是超前于电压的，扬声器此时呈现容性；

随着扬声器的激励信号频率逐渐升高，音圈电感影响较严重，是主要影响扬声器的因素。率升高过程中，扬声器的并联电路将与音圈电感会发生串联谐振，扬声器的特征频率为FN，随后，会出现电流滞后于电压，呈感性。相移特性请参考下图2-3。

图2-3 扬声器相移特性图

2.2 扬声器的主要技术指标

   1、额定功率

扬声器有两种不同的功率，此时要注意区分。首先，介绍下扬声器的额定功率（即不失真功率）。它是指在保证扬声器的不失真范围内可以输入的最大功率，一般扬声器说明书上有标注的功率即为额定功率。此外，扬声器还有一个功率即最大功率，它是指在某一瞬间内扬声器能够承受的最大峰值功率。在扬声器的设计中一般要求扬声器的最大功率为额定功率的2~3倍。

2、额定阻抗

扬声器的额定阻抗定义如下：它是指当音频信号为400Hz时，在扬声器输入端测得的阻抗值。

3、频率响应

扬声器的声压值会随着扬声器加上所加的不同频率的音频信号的不同而产生变化。从实验中发现低音频和高音频时产生的声压较小，而中音频产生的声压较大。扬声器的频率响应特性为当压下降为中音频时的高、低音频率范围。扬声器不能将全部音频都放大重放出来，其只能放大频率特性中的一部分音频而已。

4、失真

所谓失真，即扬声器放的音频和原来的不太一样。主要分两种情况：第一种是频率失真。频率失真的后果是改变了声音的音色，因为它只放大了某些频率的信号，而对另一些频率的信号放大的能力较弱。第二种是非线性失真，在输出的信号中加入了新的频率成分，这是由于扬声器振动系统的震动频率和信号自身频率不同而造成的。

5、指向特性

所谓指向性是指扬声器将声波辐射到空间各个方向去的能力，表征扬声器的声压分布方向及特征，可根据不同要求设计不同指向性的扬声器。扬声器的指向性也和频率有关，会因频率的不同而指向性发生变化，其变化趋势可参考扬声器的指向性频率特性曲线，其中在低频部分扬声器没有明显的指向性，可以很好的重放声音，但是在高频部分，由于频率高声波的波长会变短，从而使得指向性变窄，此时扬声器不能很好地重放声音，此时的解决办法可以在器件中加入高频单元，来弥补缺失。此外，扬声器还可以根据指向性还可以减弱对传声器的反馈，从而可以有效的抑制啸叫，可见扬声器的指向性很重要。

6、灵敏度

扬声器的灵敏度（声压级）是这样定义的：是指当扬声器加入1W额定功率的输入信号时，在声轴方向1m处产生的声压级大小。它体现了扬声器的工作效率，可见，扬声器的灵敏度越高他就越容易被使用放大信号。扬声器的灵敏度的提高是以增加失真的程度为代价的，想要提高灵敏度就要降低对声音的音色要求程度，相反想要获得高质量音色输出就不得不降低灵敏度。但即使这样，并不意味着灵敏度高其扬声器的音质一定就不好，灵敏度低其扬声器的音质一定好。灵敏度本身是与扬声器的音质质量是无关的。此外，扬声器的灵敏度并不等同于扬声器的效率，他们是完全不同的概念，所谓，扬声器的效率是指扬声器的输出功率与输入功率之比。定义不同概念自然不同，因此要注意区分。

2.3 本章小结

本章介绍了扬声器的工作原理，包括扬声器的阻抗特性、谐振频率、相移特性等，对扬声器的工作原理有了系统的理解。此外，阐述了扬声器的主要技术指标，如灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真度等参数。对后面的硬件设计奠定基础。

第三章 系统总体设计

3.1 系统设计要求 

  （1）设计要求：

利用单片机通过DDS技术实现信号发生器来产生扫频信号，通过扫频信号输入激励，找到F0频率点，即低频谐振频率点，通过显示器显示出来。再根据扬声器说明书上的指标参数进行对照。 

（2）技术指标：（扬声器说明书参数） 

3.2 系统设计方案论证 

3.2.1信号发生电路设计方案 

方案一：采用锁相环这种电路设计方法，具体办法是利用锁相环电路输出来输出具有相对稳定性能的正弦波，然后通过使用比较器将其转换成方波输出，利用积分电路来实现其他波的转换。但这种使用这种方法的电路结构太复杂，同时抗干扰能力较弱，因此，我们的设计不宜采用此方案。

方案二：采用特定的芯片产生波形输出，可采用MAX038芯片输出波形。但是MAX038芯片的主要特点是对精密的高频波形产生输出，虽然准确率高，但是他的编程去很复杂，其成本也太高，对于作为学生的我们不宜采用本方案。

方案三：采用一项专门技术，即DDS 直接数字频率合成技术,以此来设计信号源。不再采用模拟式信号发生器，而是采用新的理念即数字式的信号发生器了。前人采用的模拟信号发生器浪费资源，还浪费钱财，产生效果也不理想。而DDS数字技术比模拟技术要好得多，灵活性更强，还可以通过FPGA来实现呢。所以它的处理速度当然就快了，采用VHDL编程语言也通俗易懂。

结合上面的分析，我们因此采用的是方案三，省钱又省力。

3.2.2单片机方案的选择

方案一：AT89C51单片机：这种单片机是8位的，内部集成了许多功能，是一款高性能的为处理器件。内部比如有：Flash程序存储器（大小4kb）、CPU、I/O接口（一共32个），优点呢就是价格便宜。

方案二：C8051F005单片机：具有与51单片机兼用的控制系统，兼容性蛮高的，具有8052都有的数字外设部件，同时还继承了其他有关数据采集控制的模拟部分。它的处理速度蛮快的，功能也很强大。

方案三：STC12C5A60S2单片机：也是一个8位的高性能的处理器，内存很大啊，其中有RAM（1024字节）和Flash程序存储器（64kb）。和C8051F005一样也有很多数据采集及控制相关的模拟部分，但是运行速度更快呢，抗干扰能力也很强的，最主要的价格也好便宜的。

从本次设计来看本是要在开发板上进行的，所以从多方面来看，例如单片机的抗干扰能力、兼容性啊，运行速度啊等过个方面，选择了方案二。

3.2.3显示器方案的选择

方案一：选择LED。目前比较流行的设计方法，但是精度差。

方案二：选择LCD。其优点有功耗较小，效果也较明显，也较容易被控制，是能够满足设计要求的。

方案三：采用320*240液晶模块，满足本课题结果信息显示要求。接口简单，易于操作。由上可知，320*240液晶模块的优点突出，故选择方案三。

3.2.4软件的选择

主要是指编程语言的选择，以及编译调试工具的选择。根据设计平台选择KEIL4.0软件。具有使用编译灵活，操作简单，功能强大的优点。编程语言有如下三种方法。

方案一：C语言。C语言是一种面向对象的编译语言，很多编程都用到了它，具有很强的全局性，优点：灵活性、可读性高、移植性强。缺点：资源浪费，效率低。

方案二：汇编语言。汇编语言是一种机器指令的符号语言，用处不多，一般用于底层驱动的编写语言。优点：节省资源、效率高。缺点：可读性差、兼容性差。

方案三：采用集成开发软件环境IDE。C8051F005由Silabs公司生产，该公司提供相应的集成开发软件环境IDE.将文本编辑，KEIL编译器，调试，下载集于一体，使用方便。

所以，综合分析以上三种方案，最终选择方案三。

第四章 扬声器生产线F0测试仪硬件设计

4.1 主控系统C8051F005单片机

本系统使用的是C8051F005单片机，特点：

片内有RAM、ROM、FLASH，不用再外扩存储器；异步或同步模式均可用，有一个两通道串行通讯接口；一个模拟比较器，用来输出电压和比较电压。

A/D转换器（12位），不用编程自可采样。优点：速度高、兼容性高。具有8个外部信号采样通道和4个内部通道。其中利用通道0输入差动放大新的输出信号，用户可以自行设计的有：A/D转换的时钟、转换模式和参考电压的值等。

使用该单片机的优点：集成了许多外围模块，电路设计简单，缩小电路板大小。利用JTAG借口和PC机互联后，就可以完成软件的调试，方便快捷。

（1）串行通讯电路

本单片机包括两个串行模块：USART0和USART1，需要两种不同的串行协议：UART协议和同步协议SPI协议，本实验采用前者，然后通过一个RS232接口芯片来实现与计算机的相互通信。

本单片机具有降低功耗功能，从而使其工作在不同的能耗状态，达到降低功耗的目的。

（2）电源电路

本系统采用5V电源供电，这样可以保持系统运行的稳定。

4.2 F0测试仪测试原理

本课题关键的问题是要找到扬声器的F0频率点。首先需要产生一个扫频信号来输入激励，而这个扫频信号是由DDS直接数字式频率合成器来产生的，在输入信号的同时观测扬声器从低频段开始最剧烈震动时所在点对应的频率，这就是F0频率点，即低频谐振频率点。

4.3 基于DDS技术实现信号发生器

4.3.1 概述

本测试仪采用DDS 直接数字频率合成技术设计信号源, 它是从相位概念来实现波形的一种频率合成技术。DDS信号发生器的构成：相位累加器、ROM表、D/A转换器以及模拟低通滤波器LPF。

DDS系统的实现利用单片机作为其核心处理器，通过稳压电源及键盘控制，可以产生所需波形，其DDS系统框图4-1如下所示：

信号输出

输入波形参数

调整波形幅度

图4-1 DDS系统框图

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