[任性DIY]简易音频信号源

cruelfox

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玩模拟电路的都需要个音频信号源吧？(只晚射频电路的除外，避免抬杠) 就算没有专门的信号源，电脑声卡、MP3甚至手机都可以拿来顶替一下。我也经常是用连在电脑上的DAC来获得音频信号的，我也DIY了模拟的低失真信号源，不过那只有单个频点。好，先看我今天做出来的信号源效果图：
呃，这是什么鬼玩意儿？　信号源？

别着急，先看这个：

妥妥的正弦波，这次对了吧。没错，这就是我的信号源出来的。
下面这个呢，看起来好象波形失真了……

其实不是，这只是个巧合，示波器现在是当X-Y显示器用的，再来几个就明白了：






如果X,Y输入同频正弦，相位差90度，示波器X,Y增益相当的话，画出来就是一个圆了。


好，效果图看完了，信号源长啥样？

这东西其实并不大，因为用了单片机，而且可以3.2V电池直供电使用。输出两路音频正弦信号，频率1Hz~23999Hz, 1Hz步进可调。频率很准的，因为是晶振决定。
MCU就是ST的Cortex-m0: STM32F051

不过我这次把MCU给“超频”用了，晶振是49.152MHz, 超过了规格最大48MHz一点。原因是为了采样频率在48000Hz上。那么我用什么来产生模拟信号呢？单片机自带了DAC，这个可以用，但是精度差了点。我另外用了一片音频的Sigma-Delta DAC: Cirrus Logic的CS4344:

就是直插电容旁边的小芯片了，音频专用哦，用在信号源上正合适。这个DAC也很便宜，最高支持192kHz的采样频率，不过我这里只用到48kHz. 通过I2S接口把PCM编码送过去，就出来模拟信号了，因为STM32F051已经有I2S接口了，所以用起来很方便。


线路挺简单的，我多引了些I/O到插针位上，方便以后做其它应用。CS4344的I2S信号MCLK, BCK, LRCK, DATA连到MCU上，作为slave设备。CS4344的模拟输出就按照手册上的简单接法输出了，没有加滤波电路，实际上高频噪声影响还是有的。PCB版图：我惯用的Eagle软件出图。




原来想用一块1602 LCD做显示，几个按钮做控制。后来觉得1602模块本身体积更大，弄出来又不小巧了，一时也没选定盒子。于是我就决定用串口控制吧，设置好了以后可以拔下来，整个更小巧。所以软件上就是更新波形数据，和接收串口命令的干活……　一个在DMA的中断里面，一个在串口接收中断里面。

1. #include "stm32f0xx.h"
   
2. #include "uart.h"
   
3. 
   
4. #include "sinetab.c"
   
5. // sinetable, 12001 entries for 1st quarter of a sine wave
   
6. 
   
7. int16_t dma_wavebuf[2048];  // can hold 512 samples
   
8. int phase1=0, phase2=12000;
   
9. int freq1=1000, freq2=1000;
   
10. 
    
11. int main(void)
    
12. {
    
13.     int i;
    
14. 
    
15.     RCC->CR |= RCC_CR_HSEON;    // enable external crystal osc (16.9344MHz)
    
16.     RCC->CFGR = RCC_CFGR_PLLSRC_1|RCC_CFGR_PLLMUL2;     // PLL (HSE div) mul 2
    
17.     FLASH->ACR = FLASH_ACR_LATENCY|FLASH_ACR_PRFTBE;    // one wait state
    
18.     while(!(RCC->CR & RCC_CR_HSERDY));  // wait until HSE stable
    
19.     RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;    // turn on PLL
    
20.     while(!(RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY));  // wait until PLL ready
    
21.     RCC->CFGR = RCC_CFGR_SW_PLL;    // switch sysclk to PLL (49.152MHz)
    
22. 
    
23.     RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOAEN|RCC_AHBENR_GPIOBEN;   // enable GPIO port A & B clock
    
24. 
    
25.     GPIOA->MODER = GPIO_MODER_MODER14_1|GPIO_MODER_MODER13_1   // PA14, PA13 AF (SWD pins)
    
26.                 |GPIO_MODER_MODER10_1|GPIO_MODER_MODER9_1   // PA10, PA9 AF (UART)
    
27.                 |GPIO_MODER_MODER15_1;  // PA15 AF (I2S1_WS)
    
28.     GPIOA->AFR[1] = 0x00000110; // AF1 for PA9,PA10; AF0 for others
    
29. 
    
30. 
    
31.     RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_DMAEN;
    
32.     uart_setup();   // setup USART1, (115200, 8-N-1), use DMA1 ch4
    
33.     uart_wstr("\r\nUART OK.\r\n");
    
34. 
    
35. 
    
36.     RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SPI1EN; // enable SPI1 (I2S) clock
    
37.     GPIOB->MODER = GPIO_MODER_MODER3_1|GPIO_MODER_MODER4_1|GPIO_MODER_MODER5_1; // I2S1
    
38.     SPI1->I2SCFGR = SPI_I2SCFGR_I2SMOD|SPI_I2SCFGR_I2SCFG_1|SPI_I2SCFGR_DATLEN_0; // I2S 24-bit master transmit
    
39.     SPI1->I2SPR = SPI_I2SPR_MCKOE|2;    // I2S prescaler, set for 48kHz fs, MCK enabled (256fs)
    
40.     SPI1->CR2 = SPI_CR2_TXDMAEN;    // DMA enabled on transfer
    
41. 
    
42.     DMA1_Channel3->CPAR=(uint32_t)&(SPI1->DR);
    
43.     DMA1_Channel3->CCR=DMA_CCR_PSIZE_0|DMA_CCR_MSIZE_0|DMA_CCR_CIRC // 16-bit, auto reload, as SPIDR is only 16-bit
    
44.                         |DMA_CCR_MINC|DMA_CCR_DIR // 16bit, memory-incremental, memory-to-peripheral
    
45.                         |DMA_CCR_TCIE|DMA_CCR_HTIE; // complete and half interrput
    
46.     DMA1_Channel3->CMAR=(uint32_t)dma_wavebuf; //wtable;
    
47.     DMA1_Channel3->CNDTR = 2048;
    
48.     DMA1_Channel3->CCR |= DMA_CCR_EN;
    
49. 
    
50.     NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel2_3_IRQn);
    
51.     NVIC_SetPriority(DMA1_Channel2_3_IRQn,0);
    
52.     NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
    
53. 
    
54.     SPI1->I2SCFGR |= SPI_I2SCFGR_I2SE;  // enable I2S
    
55.     uart_wstr("Keys: o/u/i/d/h/t\r\n");
    
56. 
    
57.     while (1)
    
58.     {
    
59.     }
    
60. }
    
61. 
    
62. void USART1_IRQHandler(void)
    
63. {
    
64.     char key;
    
65.     if(USART1->ISR & USART_ISR_ORE)  // Overrun
    
66.     {
    
67.         USART1->ICR = USART_ICR_ORECF;
    
68.         return;
    
69.     }
    
70.     key=USART1->RDR;
    
71.     switch(key)
    
72.     {
    
73.         case 'i': freq1--; break;
    
74.         case 'u': freq1-=10; break;
    
75.         case 'e': freq1-=100; break;
    
76.         case 'd': freq1++; break;
    
77.         case 'h': freq1+=10; break;
    
78.         case 't': freq1+=100; break;
    
79.         case 'I': freq2--; break;
    
80.         case 'U': freq2-=10; break;
    
81.         case 'E': freq2-=100; break;
    
82.         case 'D': freq2++; break;
    
83.         case 'H': freq2+=10; break;
    
84.         case 'T': freq2+=100; break;
    
85.         case '\t': freq2=freq1; break;
    
86.         case '0': phase2=phase1; break;
    
87.         case '1': phase2=phase1+12000; break;
    
88.         case '2': phase2=phase1+24000; break;
    
89.         case '3': phase2=phase1+36000; break;
    
90.         default: return;
    
91.     }
    
92.     if(freq1<1) freq1=1;
    
93.     if(freq1>23999) freq1=23999;
    
94.     if(freq2<1) freq2=1;
    
95.     if(freq2>23999) freq2=23999;
    
96.     uart_wstr("SET freq 1: ");
    
97.     uart_wdec(freq1);
    
98.     uart_wstr("Hz 2: ");
    
99.     uart_wdec(freq2);
    
100.     uart_wstr("Hz\r\n");
     
101. }
     
102. 
     
103. void DMA1_Channel2_3_IRQHandler(void)
     
104. {
     
105.     int16_t *buf_base;
     
106.     int i;
     
107.     if(DMA1->ISR & DMA_ISR_HTIF3)
     
108.     {
     
109.         DMA1->IFCR = DMA_IFCR_CHTIF3;
     
110.         buf_base=dma_wavebuf;
     
111.     }
     
112.     if(DMA1->ISR & DMA_ISR_TCIF3)
     
113.     {
     
114.         DMA1->IFCR = DMA_IFCR_CTCIF3;
     
115.         buf_base=dma_wavebuf+1024;
     
116.     }
     
117.     for(i=0;i<256;i++)
     
118.     {
     
119.         int x;
     
120.         phase1+=freq1;
     
121.         phase1%=48000;
     
122.         if(phase1>24000)
     
123.         {
     
124.             if(phase1>36000)
     
125.                 x=-sinetable[48000-phase1];
     
126.             else
     
127.                 x=-sinetable[phase1-24000];
     
128.         }
     
129.         else
     
130.         {
     
131.             if(phase1>12000)
     
132.                 x=sinetable[24000-phase1];
     
133.             else
     
134.                 x=sinetable[phase1];
     
135.         }
     
136.         buf_base[4*i]=x>>16;
     
137.         buf_base[4*i+1]=x&0xffff;
     
138.         phase2+=freq2;
     
139.         phase2%=48000;
     
140.         if(phase2>24000)
     
141.         {
     
142.             if(phase2>36000)
     
143.                 x=-sinetable[48000-phase2];
     
144.             else
     
145.                 x=-sinetable[phase2-24000];
     
146.         }
     
147.         else
     
148.         {
     
149.             if(phase2>12000)
     
150.                 x=sinetable[24000-phase2];
     
151.             else
     
152.                 x=sinetable[phase2];
     
153.         }
     
154.         buf_base[4*i+2]=x>>16;
     
155.         buf_base[4*i+3]=x&0xffff;
     
156.     }
     
157. }
     

复制代码

正弦函数我并没有在程序中计算，而是存了一个表，用查表法。一方面是ROM刚好够用，另一方面是对Cortex-M0的浮点库不熟悉就没有此时尝试。采样频率是48000Hz, 如果要输出1Hz的信号，那么一个周期需要48000个样本，根据对称性，只需要存储1/4的正弦就够了。一个样本用24-bit足够，16-bit也差不多(截尾会有一些谐波)，我任性地直接用了32-bit整型。计算1Hz的整数倍就很简单，相当于查表时每次跳N个就行了。

最后再强调一下使用CS4344等Sigma-Delta DAC相对于MCU片上DAC的优点：一个是量化精度比较高，谐波失真也低不少。二是独立于MCU，减少了干扰。三是降低了数据处理量，因为DAC带有8倍的上采样，硬件给你完成了插值。(不然，在48k采样率下，直接用零阶保持出来一个20k的信号是什么样子？)

5525

DIY成这样，我也是佩服了，能开design house 了

48KHz品质可以了，CD也就44.1Khz

记得以前搞得时候，看到过Cirrus Logic的DAC，
初期话的时候输出可能会有西瓜状的调整波形，下游不把他cut会有一个小的嚣叫
这个在DS都没写，问FAE才说 是的，有

maychang

楼主留出了几个并行口，猜测是扩展小键盘和数码管显示用。扩展小键盘和显示后才好用，否则使用起来太费劲。

dontium

做点实用的东西，不错。

maychang

和模拟信号源(例如文氏电桥振荡器)比较，这种电路受时钟频率限制，无法输出更高频率的信号，而文氏电桥之类很容易达到例如1MHz。
当然，作为音频信号，已经足够了。

5525

楼主，下面准备 DIY 什么呀

cruelfox

5525 发表于 2016-7-28 21:51
楼主，下面准备 DIY 什么呀

晚上正在弄这个。拖了很久了，这周末得交差了