電磁成像系統(tǒng)正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

于長(zhǎng)敏　申海

摘? 要：磁感應(yīng)斷層成像（Magnetic Induction Tomography， MIT）是一種非接觸式測(cè)量電導(dǎo)率的成像技術(shù)，在MIT技術(shù)中，純凈穩(wěn)定的信號(hào)是后續(xù)工作順利進(jìn)行的前提。文章采用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)AD9851和STC89C51單片機(jī)控制，輸出正弦波。由于輸出的正弦信號(hào)有雜波且輸出波形有所衰減，文章還設(shè)計(jì)了低通濾波模塊和信號(hào)調(diào)理放大模塊，通過(guò)對(duì)預(yù)期信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器能夠滿足實(shí)驗(yàn)預(yù)期，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供良好的信號(hào)輸出。

關(guān)鍵詞：DDS技術(shù);信號(hào)發(fā)生器;芯片AD9851;單片機(jī)STC89C51;低通濾波

中圖分類(lèi)號(hào)：TM935;TN741 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：2096-4706（2021）17-0051-05

Abstract： MIT （Magnetic Induction Tomography） is a non-contact imaging technology for measuring conductivity. In MIT technology， pure and stable signal is the premise for the smooth progress of follow-up work. In this paper， the signal generator designed and implemented by DDS technology is used to output sine wave， controlled by AD9851 and STC89C51 single-chip microcomputer. Because the output sinusoidal signal has clutter and the output waveform is attenuated， this paper also designs a low pass filtering module and signal conditioning and amplification module. Through the comparison between the expected signal and the actual signal， it is found that the signal generator designed in this paper can meet the experimental expectation and provide good signal output for subsequent experiments.

Keywords： DDS technology; signal generator; chip AD9851; single-chip microcomputer STC89C51; low pass filtering

0? 引? 言

在自動(dòng)化系統(tǒng)及許多需要高精度電子測(cè)量技術(shù)中，一個(gè)高精度的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是至關(guān)重要的。而直接數(shù)字合成器（DDS）是一種很重要的數(shù)字化技術(shù)，它是一門(mén)新型的高頻合成技術(shù)，集高速的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、極高頻率分辨率和理想的信噪比于一身。與一般頻率綜合器件完全不同，它具備了成本低、功率低、分辨率高、可在極短距離內(nèi)高速切換等優(yōu)勢(shì)。在短短的二十幾年的發(fā)展，基于理論層面的不斷完善與集成工藝的愈發(fā)精湛，DDS已實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)模式。全球各大知名公司為此投入大量心血與精力，對(duì)DDS產(chǎn)品不斷完善、創(chuàng)新。隨著一些超高速器件的出現(xiàn)，DDS逐漸克服了其輸出帶寬的局限性。但是由于其本身的雜散特性無(wú)法避免，成為制約DDS發(fā)展的主要因素。

本論文采用基于DDS技術(shù)的AD9851芯片設(shè)計(jì)輸出低頻正弦信號(hào)源。首先介紹直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)以及其關(guān)鍵結(jié)構(gòu);其次基于AD9851以及STC8951單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)源的設(shè)計(jì)，并介紹本論文設(shè)計(jì)的控制模塊、濾波模塊以及放大模塊，對(duì)所設(shè)計(jì)的硬件電路結(jié)合軟件進(jìn)行測(cè)試，并將實(shí)際輸出信號(hào)與預(yù)想信號(hào)做對(duì)比討論;最后對(duì)本論文目前的研究設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。

1? 直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)

1.1? 直接數(shù)字合成技術(shù)的概念

DDS的概念最早由J.Tierney和C.M.Tader等人首次提及在“A Digital Frequency Synthesizer”一文中。在DDS概念提出十幾年期間，微電子技術(shù)高速發(fā)展，DDS技術(shù)（Direct Digital Frequency Synthesis）也迎來(lái)了它的時(shí)代，相較于其他頻率合成方法，DDS的優(yōu)越性更加突出并被大眾所接受，為頻率合成技術(shù)開(kāi)啟了一扇嶄新的大門(mén)[1]。DDS是一種新的頻率合成技術(shù)，它具有高頻率的分辨率和理想的相位噪聲。DDS在進(jìn)行調(diào)頻時(shí)，可以使相位輸出連續(xù)，所以頻率、相位、幅相的調(diào)制就變得非常容易。大多數(shù)利用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)DDS技術(shù)，因此方便邏輯編程控制的優(yōu)點(diǎn)最突出。此外DDS還具有可產(chǎn)生任意波形、反應(yīng)時(shí)間短、分辨率高、便于集成等特點(diǎn)[2]。

但這并不意味著DDS技術(shù)沒(méi)有缺點(diǎn)，它的局限性主要表現(xiàn)在有限的輸出頻帶范圍和不可避免的引入雜散[3]。

1.2? 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)源于sin（x）函數(shù)的規(guī)律，從相位出發(fā)，直接對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行采樣，得到與時(shí)間相對(duì)應(yīng)的采樣信號(hào)，將得到的信號(hào)通過(guò)sin（x）函數(shù)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到與sin（x）函數(shù)對(duì)應(yīng)的離散信號(hào)，進(jìn)行采樣信號(hào)向離散信號(hào)的轉(zhuǎn)變，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器及濾波后輸出光滑的頻率穩(wěn)定的模擬正弦信號(hào)。DDS主要包括以下幾個(gè)模塊，分別是：相位累加器、 ROM存儲(chǔ)器、數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器以及低通濾波器。圖1顯示了它的基本結(jié)構(gòu)。

由式（1）和式（2）可得出，加法器位數(shù)、寄存器位數(shù)和fclk為固定值時(shí)，輸出頻率僅由FW決定，且成正比例函數(shù)關(guān)系。故當(dāng)改變FW時(shí)，信號(hào)輸出頻率也作出相應(yīng)的改變，由此達(dá)到理想的調(diào)頻功能。

DDS技術(shù)的核心是相位累加器。主要是由N位累加器與N位的寄存器組成，如圖2所示。

其工作原理如下：DDS模塊在脈沖信號(hào)的作用下進(jìn)行運(yùn)作，當(dāng)每有一個(gè)脈沖信號(hào)到達(dá)，累加器就把頻率控制字FW和寄存器輸出的信號(hào)相加，將相加后的值繼續(xù)輸入到寄存器中，同時(shí)寄存器也將上一次脈沖信號(hào)到達(dá)所產(chǎn)生的值重新傳送給累加器，如此不斷地進(jìn)行輸出與重傳，這個(gè)過(guò)程構(gòu)成了一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，可以減小輸出信號(hào)與給定信號(hào)的誤差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。使得效果更好。因此，隨著脈沖信號(hào)的不斷輸入，不斷地進(jìn)行累積FW。與此同時(shí)，通過(guò)搜索FW對(duì)應(yīng)于該地址的幅度表，在ROM內(nèi)存中使用從相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為地址，完成從相位向幅度轉(zhuǎn)換[4]。

在脈沖信號(hào)的影響下，相位累加器隨時(shí)間的流逝進(jìn)行相位的累加，當(dāng)DDS信號(hào)每實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)周期時(shí)，累加器就進(jìn)行一次頻率的疊加。由此可以得出這樣的結(jié)論：相位累加器的速度直接影響系統(tǒng)速度的快慢。

經(jīng)過(guò)相位累加器的一系列操作后的最終信號(hào)作為ROM存儲(chǔ)器的地址，通過(guò)波形存儲(chǔ)器把信號(hào)相位信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字振幅信息，此時(shí)輸出的數(shù)字振幅信息作為 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入[5]。圖3顯示了波形存儲(chǔ)過(guò)程。

D/A轉(zhuǎn)換器將 ROM存儲(chǔ)器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成所要求的模擬量信號(hào)，但其分辨率不是很高，所以得到的模擬量呈階梯狀。為使輸出波形排除其它干擾信號(hào)，必須通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波處理[6]。

但目前為止，DDS工作速度主要受D/A轉(zhuǎn)換器影響，D/A轉(zhuǎn)換器字寬也影響了它的分辨率和無(wú)用信號(hào)的噪聲分量，可通過(guò)擴(kuò)增D/A的位數(shù)消除波形中無(wú)用信號(hào)的干擾。

2? 基于AD9851實(shí)用信號(hào)源設(shè)計(jì)

2.1? 硬件設(shè)計(jì)性能指標(biāo)

對(duì)于給定10 Hz的信號(hào)，AD9851信號(hào)源可以輸出小于40 MHz的信號(hào)，且用示波器查看輸出波形不失真無(wú)雜波，波形平緩穩(wěn)定，波形大小適中。

2.2? 信號(hào)源設(shè)計(jì)

圖4顯示了STC89C51和AD9851之間并行連接控制的接口情況?？梢灾庇^地看出，STC89C51的P1.0～P1.7用作AD9851的數(shù)據(jù)輸入端口，P3.4～P3.6用作數(shù)據(jù)傳輸端口，用于控制AD9851的相應(yīng)三個(gè)引腳，經(jīng)過(guò)濾波放大后得到完整的波形信號(hào)[7]。

圖5為基于DDS技術(shù)的AD9851信號(hào)源設(shè)計(jì)圖。原理圖可分為3個(gè)模塊：STC89C51控制模塊，濾波模塊和放大模塊。單片微機(jī)先復(fù)位，初始化AD9851，輸出預(yù)設(shè)頻率，經(jīng)濾波放大后輸出。

2.2.1? STC89C51控制模塊

單片機(jī)與AD9851采用并行方式連接，此部分為整個(gè)信號(hào)發(fā)生器的控制核心，可以發(fā)揮單片機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)能力來(lái)快速驅(qū)動(dòng)各功能模塊。具體控制連線圖如圖6所示。

AD9851的D0～D7引腳連接到STC89C51微控制器的P1.0～P1.7引腳，AD9851的頻率更新控制信號(hào)FQ_UD與STC89C51的P3.7引腳相連，W_CLK端與P3.6引腳相連。每一次寫(xiě)控制數(shù)據(jù)時(shí)，8位總線D[0，7]可以過(guò)順序完成數(shù)據(jù)輸入，40位數(shù)據(jù)分5次完成。當(dāng)給定外部參考時(shí)鐘頻率，根據(jù)DDS的工作原理，可以得出由控制字產(chǎn)生的頻率分辨率，由此可以判斷能否實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)。

2.2.2? 濾波模塊

實(shí)際電路中，增加信號(hào)頻率，可使輸出電壓幅值減小，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大是極為必要的，它可以清晰地顯示在示波器上，示波器顯示的放大輸出信號(hào)包含雜波或直流分量信號(hào)，使輸出波形不光滑，因此，在放大示波器前，還要進(jìn)行信號(hào)濾波，消除干擾信號(hào)。基于以上特點(diǎn)采用橢圓濾波電路，此濾波電路沒(méi)有規(guī)定具體所需的元器件，因此本論文采用電感和電容相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，可隨意添加或者減少元器件，具有靈活方便的特點(diǎn)。具體連線圖如圖7所示[8]。

2.2.3? 放大模塊

DDS的輸出信號(hào)在無(wú)外接負(fù)載的條件下輸出電壓電壓較為穩(wěn)定，但是當(dāng)接入外部負(fù)載時(shí)，輸出信號(hào)有所衰減，并且在高頻信號(hào)的時(shí)候表現(xiàn)的極為明顯，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，要求電路需要帶有一定的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，即要求DDS輸出信號(hào)的電流達(dá)到一定的范圍[9]。根據(jù)以上情況，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖8所示的電路解決問(wèn)題。

本論文采用芯片AD0865作為放大電路的核心，采用此款芯片設(shè)計(jì)的電路的+IN引腳連接電阻接地，且+IN端連接的電阻必須與-IN端連接電阻的阻值相同，構(gòu)成差分運(yùn)放。通過(guò)上述接線方式輸出的正弦波波形呈此起彼伏的輸出，而不是單一不變的。

2.3? 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件編程主要基于AD9851控制字模式，控制AD9851芯片的輸出信號(hào)，由MCU將40位控制字輸出到AD9851并控制輸出頻率。

圖9為設(shè)計(jì)的程序流程圖，STC89C51在系統(tǒng)供電后進(jìn)行初始化，AD9851也進(jìn)行初始化，STC89C51對(duì)AD9851進(jìn)行控制，而后在示波器上顯示輸出波形。

以下為AD9851的實(shí)用程序：

{對(duì)AD9851進(jìn)行復(fù)位;}

這個(gè)函數(shù)被下面發(fā)送控制字函數(shù)調(diào)用：

{ 向AD9851輸入上升沿有效的信號(hào)，依次進(jìn)行存儲(chǔ);}

單片機(jī)向AD9851發(fā)送控制字程序：

{利用一定的頻率進(jìn)行依次輸出}

3? 信號(hào)源測(cè)試

通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫(xiě)，已基本完成信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，現(xiàn)進(jìn)行功能調(diào)試，觀察程序是否正確以及電路是否正常。圖10為本論文實(shí)驗(yàn)所預(yù)期的波形示意圖;圖11為本論文所設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器的輸出波形示意圖。

通過(guò)兩張波形示意圖的對(duì)比可以清晰的看出，本論文所設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器能夠得到穩(wěn)定純凈的信號(hào)波形，與預(yù)期想法一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確。

4? 結(jié)? 論

本論文基于DDS技術(shù)的AD9851信號(hào)源的設(shè)計(jì)方法。STC89C51為控制單片機(jī)，AD9851為設(shè)計(jì)的核心，二者采用并行連接的方式實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)，經(jīng)濾波放大后能夠輸出較為完整平滑的正弦波，具有信號(hào)頻率好，準(zhǔn)確度高，分辨率高的特點(diǎn)。

通過(guò)本論文設(shè)計(jì)的信號(hào)源，基本完成了一個(gè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電磁成像的第一步。本論文完成的工作包括硬件的設(shè)計(jì)、輸出信號(hào)濾波和放大。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本論文設(shè)計(jì)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器較為穩(wěn)定，能夠?yàn)檫M(jìn)一步的電磁成像打下基礎(chǔ)。

本文主要完成以下工作：

（1）設(shè)計(jì)了基于DDS技術(shù)的輸出正弦波信號(hào)的信號(hào)源。采用DDS技術(shù)是本文的一大亮點(diǎn)，不同于傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器，此信號(hào)源分辨率高，輸出相位噪聲低，靈活方便。

（2）設(shè)計(jì)了信號(hào)的濾波電路。采用橢圓濾波電路，濾除雜波和直流信號(hào)的能力更強(qiáng)，且在誤差范圍內(nèi)的電容值和電感值均可完成實(shí)驗(yàn)。

（3）將設(shè)計(jì)了信號(hào)的放大電路。采用該放大電路可以更好的實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，且放大器件成本低廉，工作溫度與整體電路工作溫度一致，減少外部條件影響，避免誤差。

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作者簡(jiǎn)介：于長(zhǎng)敏（1997.03—），女，漢族，黑龍江安達(dá)人，碩士在讀，研究方向：光電智能控制;通訊作者：申海（1976.10—），女，漢族，山東日照人，教授，博士，研究方向：控制科學(xué)與工程。