基于AD9859的核磁共振頻率源的設計

孫俊峰

（電子科技大學，四川 成都 611731）

基于AD9859的核磁共振頻率源的設計

孫俊峰

（電子科技大學，四川 成都 611731）

介紹了頻率源在核磁共振中的應用，根據核磁共振譜儀的要求采用DDS技術完成了頻率源設計。介紹了直接數字頻率合成（DDS）原理，闡明了采用AD9859實現頻率源的原理，具體描述了AD9859的硬件配置電路以及相應的軟件設計。設計了信號處理電路，使輸出的正弦波更加穩定，平滑。該設計能夠在整個頻段內輸出良好的單頻正弦信號，滿足核磁共振波譜儀對頻率源的要求。

核磁共振；頻率源；直接數字頻率合成;AD9859；低通橢圓濾波器；AGC

（一）引言

核磁共振是研究物質結構的重要技術，核磁共振譜儀是實現這種研究的主要手段。頻率源是核磁共振譜儀和核磁共振成像系統的重要組成部分，主要用來產生樣品激發信號或檢波的本振信號。現代核磁核磁共振技術要求頻率源在輸出頻段內的頻率具有高穩定度、高頻譜純凈度、高分辨率和低的噪聲等特性并且能夠實現頻率、相位和幅度的快速調制能力。傳統的頻率源是利用電子元器件以各種不同的形式組成振蕩器，其頻率精度和穩定度都不高，而且工藝復雜，分辨率低。直接數字合成技術近年來得到了飛速發展，廣泛使用在電信與電子儀器領域，是實現設備全數字化的一種關鍵技術。利用 DDS技術可以得到高精度的頻率，其頻率范圍寬，相位分辨率高，頻率轉換時間短，而且體積小、功耗低、可編程，是目前設計頻率源的一種理想方案。

（二）DDS原理

DDS是通過對相位的運算進行頻率合成的，主要理論依據是時域抽樣定理（Nyquist定理），其工作原理是通過累加較高頻率信號的相位變化量，已產生給定低頻信號的數字化波形。DDS是一種把數字信號通過數模轉換器轉換成模擬信號的合成技術。DDS的基本結構和各個單元輸出波形如圖1所示。可以看出，可編程DDS系統由相位累加器、正弦查詢表、D/A轉換器和低通濾波器組成。參考時鐘為高穩定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步DDS各組成部分的工作。

圖1 DDS結構和各個單元輸出波形

DDS的具體工作過程為：在時鐘fclk的作用下，相位累加器對頻率控制字（Frequency Turning Word，FTW）K進行線性累加，當相位累加器計滿量程時就會產生一次溢出，累加器的溢出頻率就是 DDS輸出的信號頻率。相位累加器輸出的相位碼送至相幅轉換器進行轉換，當取不同的頻率控制字 K時，將導致相位累加器的不同相位增量，這樣相幅轉換器輸出的正弦波的頻率不同，從相幅轉換器輸出的 N位幅度轉換碼經過數模轉換器（DAC）變換后得到模擬的階梯波波電壓，階梯波電壓經低通濾波器平滑后即可得到所需要的正弦波信號。

（三）AD9859簡介

AD9859是Analog Devices 公司2004年推出的一款高集成度器件，它內部集成了一個10位DAC，最高工作頻率高達400MSPS。AD9859采用先進的DDS技術，加之芯片上集成的高速高性能的 DAC，構成了一個數字可編程的完成的頻率合成器，能夠產生高達200MHz的正弦波。在具有快速的頻率跳變能力的同時，AD9859還具有很高的頻率分辨率，這是由其內部的 32位頻率控制字保證的。AD9859支持兩種串行通信模式：兩線數據傳輸方式和三線數據傳輸方式。頻率轉換控制字通過串行I/0口寫入到AD9859的內部寄存器中可以實現快速變頻。其應用范圍包括靈敏的本振頻率合成器、可編程時鐘發生器、測試和測量儀器以及商業和業余射頻激勵等。AD9859的內部功能框圖如圖2所示。

圖2 AD9859的內部功能框圖

其主要特性如下：

·內置400MSPS時鐘

·內含10位DAC

·32位頻率轉換字

·在1KHz頻率偏移時相位噪聲優于-120dBc

·極優的動態特性：在160M輸出時有75dB的無雜散動態范圍

·串行I/O口控制

·采用1.8V供電

·硬件或軟件控制的掉電模式

·集成內部振蕩器和時鐘倍頻器

AD9859在參考時鐘為400MHz時，其最高輸出信號頻率可達200MHz，頻率分辨率小于0.1Hz，同時由于AD9859集成有內部振蕩器和鎖相環時鐘倍頻器，可以用單一的晶振作為系統的參考時鐘，簡化了系統時鐘的設計。因此選用AD9859作為頻率源的核心器件。

（四）硬件電路設計

基于DDS的核磁共振頻率源是由STC89LE52RC微控制器、DDS芯片AD9859、寬帶運算放大器AD9632、低通濾波器和可變增益放大器AD8368幾部分構成，其總體框圖如圖3所示。

圖3 頻率源總體框圖

1.控制接口電路

本設計中使用STC89LE52RC微控制器作為主控制器，它的作用是往AD9859中寫入控制字和頻率轉換字，其電路圖如圖4所示。STC89LE52RC的P2.0口控制著數據更新，上升沿到來時 AD9859更新內部寄存器；在本設計中，單片機和AD9859的通信采用2線數據傳輸方式，SDIO既作為串行數據的輸入口，也作為串行數據的輸出口，STC89LE52RC和AD9859之前的數據傳遞都是通過SDIO完成的；SCLK是I/O操作的串行數據時鐘，用P2.2口控制，軟件模擬串行數據輸入輸出所需要的時鐘；P2.3口連接AD9859的片選端（ ）,低電平有效，它輸出低電平時就可以與AD9859通信了；P2.4口連接到IOSYNC端，IOSYNC是串行口控制器的異步復位引腳，為高電平時，立即終止當前的 I/O操作，當它由高電平回到低電平時可以開始新的I/O操作；P2.5口控制著AD9859的復位端（RESET）。

圖4 STC89LE52RC和AD9859的接口電路設計

2.信號調理電路

信號調理電路如圖4所示。由于AD9859最終是以差分電流的形式輸出，需要變雙端輸出為單端輸出，這里采用AD9632寬帶運算放大器構成差分比例運算電路完成雙端到單端的轉換。AD9859內部沒有低通濾波器，因此經過DAC輸出的正弦階梯波含有高頻噪聲，噪聲可分為兩類：一類為 DAC數模轉換所帶來的階梯波形分量及其高次諧波，另一類為AD9859內部時鐘及其高次諧波。因此需要在后級接一個低通濾波器來濾除高頻分量，產生穩定、平滑的正弦波，這里設計了一個7階的低通橢圓濾波器。

圖5 信號調理電路

3.功率控制電路

核磁共振實驗要求頻率源輸出功率為10dBm，并且在整個頻段內功率波動小于1dB。而由DDS輸出的信號功率一方面比較小，另一方面是DDS輸出的信號功率在低頻時輸出功率大，高頻時輸出功率小，整個頻段內功率波動大于20dB。因此需要對AD9859輸出信號功率進行調節，使整個頻段內輸出信號功率為10dBm。

這里功率控制電路的實現采用的是自動增益控制電路，通過選用可變增益放大器 AD8368構成自動增益放大電路。AD8368是AD公司出品的一款高性能可變增益放大器，它有兩種工作方式，當MODE管腳接高電平時，AD8368可作為一個典型的VGA工作，增益隨控制電壓增加；當MODE管腳接地并使用集成的平方率檢波器時，增益隨控制電壓遞減，能實現一個完整的閉環AGC,默認輸出幅度穩定在63mV rms，并且通過簡單外圍電路，這個輸出幅度能夠調節到所需要的值。在設計中將AD8368配置成AGC模式，其電路如圖6所示。

圖6 自動增益控制電路

（五）軟件設計

DDS的輸出頻率fo是系統時鐘頻率fs，頻率轉換字FTW和累加器容量的函數，它們具體關系為

通過改變頻率轉換字 FTW可以得到所需要的各個頻率，這也正是利用 DDS設計掃頻源的核心思想。軟件的編寫主要是通過單片機STC89LE52RC來實現，從而完成對AD9859的控制操作。軟件流程圖如圖7所示。

結論

頻率源是核磁共振波譜儀的核心部分。利用AD9859設計的頻率源頻率范圍寬，經測試本系統在頻率范圍內的各個頻點上都能產生很好的正弦波，通過選擇常用的 STC89LE52RC作為核心控制器，既簡化了設計又節約了成本。本設計性價比高，是一種良好的數字化設計，為核磁共振波譜儀的設計鋪平了道路。

圖7 軟件流程圖

首先在單片機初始化完畢后對AD9859進行初始化配置，輸出上電后的默認波形，然后進入鍵盤掃描程序檢測是否有鍵按下，根據按鍵從新配置AD9859輸出不同頻率的正弦波。

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[5]AD9859 Datasheet,Analog device.

TN74

A

1008-1151(2011)04-0044-02

2011-01-15

孫俊峰（1987－），男，河南駐馬店人，電子科技大學電子工程學院研究生，研究方向為電路與系統。