基于AD9834的簡易信號源設計*

張家田 王 華 嚴正國

西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 （陜西 西安 710065)

基于AD9834的簡易信號源設計*

張家田 王 華 嚴正國

西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 （陜西 西安 710065)

采用模擬電路設計的信號源存在頻率精度不高、調試與維修不方便以及直接升級困難等缺點。為了克服這些缺點,提出利用直接數字頻率合成技術（AD9834）產生要求的正弦測井激勵信號,利用小功率低壓器件的串聯實現信號的大功率大電壓輸出,利用電源跟蹤技術在一定程度上降低功率器件的損耗,提高電路的工作效率。實驗結果表明,信號源輸出頻率1～15 Hz,頻率分辨率為0.004 Hz。

直接數字頻率合成 功率放大 超低頻信號源

目前使用的信號源大都是由運算放大器及其電子元器件如電容、電感及電阻組成的振蕩電路產生,這些信號源電路存在結構復雜、參數固定、調試和維修比較困難以及頻率精度不高等缺點[1]。直接數字頻率合成技術 (Direction Digital Frequency Synthesis Technology,即DDS或DDFS)有相對帶寬、頻率轉換時間快、相位連續性好及頻率分辨率高等優點[2]。將DDS用于信號源的產生,不僅比傳統振蕩電路有更短的頻率穩定時間和更高的頻率分辨率,還可以實現信號源電路設計的軟件化[3,4]。

基于DDS技術的信號源設計方案

信號源方案設計如圖1所示。該方案主要由電源模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、外部通信模塊、單片機控制模塊、信號產生模塊（DDS模塊）、信號調理模塊等部分組成。其中液晶顯示模塊顯示信號源產生的波形、信號頻率、信號幅度等參數；鍵盤輸入模塊可以手動輸入待產生信號的頻率、幅度以及波形等控制指令；外部通信模塊與PC機連接，使得單片機可以接受PC機的控制，實時改變控制參數；單片機控制模塊是整個信號源的控制中心，控制液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、外部通信模塊以及信號產生模塊；信號產生模塊接受單片機控制模塊的指令，改變輸出信號的波形、頻率、輸出幅度等；信號調理模塊對產生的信號進行濾波、放大等處理，完成信號的輸出。

信號產生原理及DDS技術

DDS的基本原理是利用采樣定理,通過查表的方法產生波形。它以全數字技術,從相位概念出發直接合成所需信號。DDS系統電路結構由相位累加器、波形數據存儲器、D/A轉換器和低通濾波器組成,如圖2所示。通過軟件直接更改頻率控制字K就可以改變信號源的頻率,且能達到很高的頻率分辨率;更改波形EPROM數據表的數據就能夠產生不同類型的波形。因此,在設計信號源時,無需變動電路結構,只是通過設計不同的程序或更改不同的參數來實現。從而達到信號源設計軟件化的目的。

相位累加器由1個N位加法器與1個N位累加寄存器組成。對于每輸入一個基準時鐘Fs，加法器將頻率控制字K與累加器饋入的相位數據相加，然后把相加后的結果送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器將加法器在上一個Fs作用后所產生的新相位數據反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個Fs作用時繼續與頻率控制字相加[5]。這樣,相位累加器就可以不斷地對頻率控制字進行線性相加。同時相位累加器輸出需要合成的相位信息,作為讀波形數據存儲器的地址。累加器的溢出頻率,就是信號的頻率。信號輸出頻率通過式（1）得到。

式中，FS為基準時鐘,由振蕩穩定的晶振產生；N為累加器位數；K為頻率控制字。根據采樣定理和實際應用情況,需要產生的信號頻率不大于1/3FS。可以看出，在FS固定的情況下,可以通過改變K的值來改變輸出頻率的大小。累加器位數N決定了輸出信號的頻率分辨率。以FS=14.318MHz、N=32為例，則最小的頻率分辨率為

相位累加器的結構如圖3所示。

波形數據存儲器存儲了一個周期內的波形抽樣數據,數據量的大小,取決采樣的點數。一個周期正弦波信號如下:

采樣點數為64,將這些數據編譯后寫入EPROM中。相位累加器的輸出作為EPROM的尋址數據,經過查表,完成相位到幅度的轉換。從EPROM中讀出的二進制數據,經過D/A與低通濾波器,便得到所需要的正弦波信號。

1 DDS技術特點[6]

（1）高頻率分辨率和相位分辨率。頻率分辨率的高低與相位累加器、參考時鐘頻率有關,只要相位累加器的位數足夠長,參考時鐘頻率合適,可以達到較高的頻率分辨率。

（2）寬頻率范圍。根據采樣定理,理論上DDS輸出頻率范圍為0～0.5fc，其中fc是參考時鐘頻率。但實際上工程中可實現的DDS輸出頻率的上限為0.4fc。對于該設計來說,需要產生較低頻率的信號,DDS可以完全滿足。

（3）頻率穩定度。DDS輸出頻率穩定度分為長期頻率穩定度和短期頻率穩定度。長期頻率穩定度是指信號在規定外界條件下,在一定的時間(年、月、日)內工作頻率的相對變化,它與所選用的參考源的長期頻率穩定度相同。短期頻率穩定度主要指各種隨機噪聲造成的瞬時頻率或相位起伏,即相位噪聲。為提高輸出信號的頻率穩定度,設計從以下方面考慮:首先DDS參考時鐘源選用頻率穩定度高的溫補晶振或恒溫晶振,選擇性能優良的DDS芯片,其次增加電路的抗干擾設計等,從而在一定的程度上減少相位噪聲,提高短期頻率穩定度。

2 DDS設計模塊

DDS模塊設計框圖（圖4）。該模塊主要完成控制命令接收、正弦信號生成、濾除信號噪聲、信號輸出放大等功能。該設計控制芯片采用C8051F020高性能8 bit單片機,DDS芯片采用AD公司生產的高性能AD9834DDS集成芯片。單片機與DDS采用SPI三總線接口,即串行時鐘 (SCLK)、串行同步(FSYNC)以及數據（SDATA）三總線[7]。 AD9834 直接數字頻率合成器是一款高性能、低功耗DDS芯片,內部集成10 bit的DAC、比較器等,能夠產生高性能正弦波形、三角波形以及方波信號。為了產生高頻率穩定度的信號,DDS采用恒溫晶振,恒溫晶振的穩定度在10～8量級以上,電路采用抗干擾設計,最大程度保證輸出信號的頻率穩定度。差分放大作用是將DDS輸出的信號轉換成單端輸出,抵消輸出信號的直流成分;低通濾波器實現對輸出信號的濾波,濾除高頻成分,該設計設置低通濾波器的截止頻率為20 Hz。

AD9834的應用主要通過DSP的SPI口進行數據的寫入。用戶只要將數據寫入控制寄存器即可。控制寄存器位功能如表1所示。

其中DB15、DB14為標志位，當DB15DB14=00時為控制寄存器，其它值時為選擇頻率寄存器或相位寄存器；DB13（B28）為配置數據寫入的方式位；DB12（HLB）為控制寫入寄存器的數據是低14位或高 14 位，和 DB13（B28）配合使用；DB11（FEL）為頻率寄存器選擇位，與DB9（PIN/SW）、管腳FSELECT配合使用；DB10（PSEL）為相位寄存器選擇位，與DB9（PIN/SW）、管腳 PSELECT 配合使用；DB8（RESET）為復位位，與 DB9（PIN/SW）、管腳 RESET 配合使用；DB7（SLEEP1）為控制內部時鐘位；DB6（SLEEP12） 為控制 D/A轉換器電源位；DB5（OPBITEN）為控制方波輸出位；DB4（SIGN/PIB）為控制內部比較器位；DB3（DIV2）為控制方波輸出位；DB2為保留位必須設置為0；DB1（MODE）為控制輸出波形位；DB0為保留位，必須設置為0。

3 DDS程序設計

表1 AD9834控制寄存器

AD9834相位累加器為28位，當選擇晶振頻率為 1MHz時，輸出信號的頻率分辨率為：0.004Hz，減小晶振頻率還可以進一步提高頻率分辨率。以下以頻率設置為例說明 DDS程序設計，程序設計共分為4個步驟：①計算要寫入頻率寄存器的值；②AD9834的初始化，復位器件內部寄存器；③寫數據到控制寄存器，設置寫入數據的方式，寫數據到選擇的頻率寄存器；④選擇輸出信號的頻率數據源，AD9834共兩個頻率寄存器，用戶可以指定輸出的數據源。具體DDS程序設計流程如圖5所示。

實驗結果

該信號源通過室內模擬試驗裝置測試，結果表明，信號源輸出正弦頻率1～15Hz,頻率分辨率為0.004Hz，頻率穩定度為±5×10～6/1h，輸出電壓范圍為±300V，輸出電流≤6A，輸出功率為900W。通過模擬井實驗，信號源指標能滿足3 000m測井電纜的測井實驗要求。

結 論

針對過套管電阻率測井技術的特點，提出利用直接數字頻率合成技術產生要求的正弦測井激勵信號，利用小功率低壓器件的串聯連接實現信號的大功率大電壓輸出，利用電源跟蹤技術在一定程度上降低功率器件的損耗，提高電路的工作效率。該信號源是過套管電阻率測井模型機地面系統的一部分，已成功用于過套管電阻率測井技術的研究中，取得較好的試驗效果。

[1]中國石油天然氣集團公司測井重點實驗室.測井新技術培訓教材[M].北京:石油工業出版社，2004.

[2]吳銀川，張家田，嚴正國.過套管地層電阻率測井技術綜述[J].石油儀器，2006，20(5):1-5.

[3]王國慶，郭文廣，陳文武.過套管電阻率測井數據處理及其在油氣層評價中的應用[J].測井技術，2007，31(4):335-341.

[4]董軍剛，蔡振江.基于DDS技術的智能信號發生器的設計[J].微計算機信息，2007，4(2):298-301.

[5]Singer B Sh,Fanini O，Strack K M，Tabarovsky L A， Zhang X.Measurement of Formation Resistivity Through Steel Casing[C]∥SPE 30628，1995.

[6]劉光輝.并行DDS頻率源技術研究[D].成都:電子科技大學，2002.

[7]高吉祥.數字電子技術[M].北京:高等教育出版社，2003.

The signal source designed by the analogue circuit has some defects like the low accuracy of frequency,the inconvenience in debugging and maintaining,the difficulty of direct upgrade and so on.In order to overcome these shortcomings,it is proposed that the direct digital frequency syntheses technique (AD9834)should be applied to the production of the required sine logging exciting signals.It is also suggested that series devices of low power and voltage are used to the output of signals with high power and high voltage,and that power tracking technique should be adopted so as to lower the wastage of power devices and improve the working efficiency of circuit to some degree.The result of experiment shows that the output frequency of signal source is 1～15 Hz,and the frequency resolution is 0.004Hz.

the direct digital frequency syntheses;power amplification;ultra-low frequency signal source

??萍

2010-04-06

陜西省自然科學基金(2007D01)；西安石油大學創新基金（YS28030533）