基于DDS技術的超低頻信號源設計

沈凱 周金亮

摘 要：目的 設計能夠滿足過套管電阻率測井需要的具有高穩定度、超低頻率等特點的正弦信號源。方法 采用direct digital synthesis（DDS）技術結合單片機控制實現該信號源的設計方案。結果與結論 設計實現了信號源的控制模塊、DDS模塊、接口電路等。實驗結果表明，信號源輸出頻率在0～10Hz之間，頻率穩定度為0.008 7%，滿足過套管電阻率測井的要求。

關鍵詞：信號源;高穩定度;超低頻;輸出頻率

1.DDS技術概述

作為最主要的數字化技術，DDS具有諸多優勢，對比傳統的頻率合成器，DDS技術其功耗比較低，花費的成本也低，并且轉換的頻率快，分辨率較高，對于設備數字化的發展至關重要。一般情況下，DDS技術可以通過以下幾種方法來產生信號：（1）一般來說，可利用IC-函數信號發生器來產生信號，但是這種方式產生電信號具有功能不全、可利用性低，并且其精度低，不能滿足高頻率信號要求等弊端。（2）利用單片機集成芯片的函數發生器實現：例如MAX038，其優勢是可以產生高頻率的信號，并且能夠制造不同的波形.但MAX038需要通過模擬信號來對輸出頻率進行控制，不但要將處理器輸出的信號進行轉換，還需要控制轉換出的信號，由于步驟增多，降低了頻率的精度，使得電路更加復雜。相對于上述幾種實現信號發生器的方法，DDS技術作為新型頻率合成技術，可以直接合成DDS芯片，使用便捷，可節省資源。

2.系統設計的基本原理

本文以的單片機的DDS芯片為AD9833，匹配相對參數，輸入相關的數值，得到幅值、波形以及頻率的信號的變化情況。如圖1所示，鑒于矩形鍵盤有利于信號頻率、幅值以及波形參數的輸入，所以輸入鍵盤采用4*4的矩形鍵盤。一般情況下，輸出波形的過程中會有干擾出現，應采取措施避免干擾，文中采取限幅濾波法進行濾波。AD9833的波形幅值為0.65V，遠遠小于實際應用中所需的幅值，不能滿足需求，應將過濾之后的波幅值放大。除此之外，因為AD9833的波形頻率能達到12.5Hz，應結合帶寬來選擇放大器，確保滿足要求。

3.超低頻信號源設計

超低頻信號源主要由單片機控制模塊、DDS模塊、調理模塊、顯示模塊、輸入模塊、PC模塊組成。單片機控制模塊作為整個系統的控制核心，能夠實現控制命令的發送和輸出電流電壓的檢測;DDS模塊接收單片機的命令并合成超低頻信號;調理模塊對DDS產生的正弦信號進行處理;輸入模塊實現產生信號的頻率、電壓幅值的手動輸入;顯示模塊實現信號波形、輸出電流電壓大小、頻率的顯示;PC模塊可以控制單片機實時改變信號源參數。

本文選用TI公司的MSP430F169單片機實現整個系統的控制。DDS芯片選用AD公司的AD9834。通過鍵盤輸入信號的頻率值，經單片機處理后轉換為DDS的頻率控制字發送至DDS模塊，DDS將合成的頻率發送到調理模塊進行處理，最終得到所需頻率的正弦信號。

3.1DDS模塊設計DDS模塊主要由DDS芯片、差分電路、濾波電路和放大電路構成，主要實現命令的接收、信號的生成、噪聲的濾除、輸出信號的放大等功能。DDS模塊主要接收單片機發送的控制命令，根據命令生成符合頻率要求的正弦信號。差分電路主要有2個作用，一個是將雙端輸出轉換成單端輸出，一個是消除輸出信號的直流部分。濾波電路采用二階巴特沃斯有源低通濾波器來濾除輸出信號的高頻成分。DDS模塊設計原理圖如圖2所示。

3.2接口電路MSP430F169單片機和DDS芯片AD9834具有完全兼容的SPI接口，因此采用SPI總線接口方式實現二者的連接。單片機向AD9834發送數據而不接收數據，故將單片機的SPI設置為主機模式;而AD9834的SPI接收單片機發送的數據而不向單片機發送數據，故將它設置為從機模式。單片機與AD9834硬件接口電路如圖3所示。

4.連接原理框圖

4.1DDS程序設計DDS程序設計主要由DDS初始化、數據寫入和數據源選擇3部分組成。DDS初始化程序主要實現DDS的軟件復位。數據寫入主要完成頻率控制寄存器的選擇并實現頻率控制字的寫入。數據源選擇主要完成輸出信號頻率數據源的選擇。DDS程序設計主要流程如下：首先通過PC輸入3Hz的值，根據公式計算出要寫入頻率寄存器的值;其次完成DDS初始化，實現內部寄存器等部件的復位;然后設置數據寫入方式，寫數據到控制寄存器以及選擇的頻率寄存器;最后選擇輸出信號頻率數據源，根據用戶的需求輸出指定數據源。DDS程序設計流程圖如圖4所示。3 實驗3.1 信號輸出波形本設計選用AD公司的AD9834DDS芯片，其輸出頻率公式為：

其中fMC為AD9834的時鐘頻率;FREQ為寫入28位頻率寄存器的值;為輸出信號頻率的分辨率[12]。當選擇fMC=1MHz，輸出信號頻率的分辨率約為0.003 7Hz，滿足設計要求。

根據公式（1）計算出3Hz的頻率控制字，通過鍵盤輸入到單片機中，單片機控制DDS產生的波形經過濾波后的波形，由此可知信號頻率穩定性滿足系統要求。

4.2 信號頻率穩定度的計算測試時選取9Hz作為輸出信號的標準工作頻率，測量其穩定度，利用安捷倫34411A系列六位半高性能數字萬用表對實際產生的輸出信號頻率進行測量，測量所得數據記錄如表1所示。

設實際工作頻率的均值珚f與標稱工作頻率的最大偏差值為Δf，則頻率穩定度由表1得珚f=2.999 52Hz，Δf=0.000 26Hz，則K=0.000 086 68=0.008 668%<0.01%，可見信號頻率穩定性滿足系統要求。

結束語

本文針對過套管電阻率測井技術的特點，提出將DDS技術和單片機相結合，利用單片機控制DDS產生滿足測井要求的超低頻信號源。給出了MSP430F169單片機和DDS芯片AD9834的接口電路及模塊實現流程。實驗結果表明，信號源輸出頻率在0～10Hz之間，頻率穩定度為0.008 7%，滿足過套管電阻率測井的要求。該信號源已成功用于過套管電阻率測井技術的理論研究項目中。

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