基于DDS芯片AD9959的核磁共振頻率源設(shè)計

趙健++李士偉++朱旭東++單淑娟++李云龍++萬文全

摘要：電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得核磁共振儀器設(shè)計技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。核磁共振頻率源是核磁共振儀器中的關(guān)鍵部件，主要為核磁共振控制臺系統(tǒng)提供本振頻率，中頻頻率。本文介紹了一款以AD9959為核心的核磁共振頻率源的設(shè)計，采用了直接頻率合成技術(shù)，核磁共振頻率源系統(tǒng)應(yīng)用在核磁共振分析儀整機(jī)，使儀器各項性能指標(biāo)均得到提升。

關(guān)鍵詞：核磁共振 頻率源 AD9959 DDS

中圖分類號：TN741 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0152-01

1 引言

本文提出一種基于DDS芯片AD9959的核磁共振頻率源設(shè)計，具有較低的相位噪聲、高頻譜純凈度、高穩(wěn)定度、高分辨率等特點，可以應(yīng)用到核磁共振儀器系統(tǒng)。

2 總體方案設(shè)計及原理

核磁共振頻率源系統(tǒng)通過雙核微控制器F28M35H52C1控制DDS集成電路AD9959，并與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，可以自動調(diào)整信號的頻率、幅度、相位。AD9959輸出經(jīng)過低通濾波器電路、鎖相環(huán)電路調(diào)理，相位噪聲指標(biāo)得到了顯著提升。由外部恒溫晶振提供給DDS的外部頻率，經(jīng)過DDS自帶PLL電路生成參考頻率。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 直接數(shù)字頻率合成集成電路AD9959

AD9959由四個直接數(shù)字頻率合成器（DDS）內(nèi)核構(gòu)成，每個通道均可提供獨立的頻率、相位、幅度控制。由于所有通道共享一個公共系統(tǒng)參考時鐘，因此它們?yōu)楹舜殴舱窨刂婆_提供了同步的頻率輸出信號。外部時鐘采用25MHz恒溫晶振，經(jīng)過DDS內(nèi)部PLL倍頻到500MHz，可以實現(xiàn)單通道最大輸出達(dá)200MHz。每個DDS通道擁有獨立的32bit頻率分辨率的控制，14bit相位偏移控制及10位DAC轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正弦信號。頻率，相位及幅度關(guān)系由下面的公式表示：

頻率

f=Fcw*Fclk/（f為輸出頻率，F(xiàn)clk為時鐘頻率，F(xiàn)cw為頻率控制字，N=32）

幅度

A= ACR*Vmax/（A為輸出幅度，Vmax為最大輸出電壓，ACR為幅度控制字，N=10）

相位

=POW*360/（A為輸出幅度，POW為相位控制字，N=14）

AD9959的主要特征如下：（1）4個獨立的DDS通道，每個通道能獨立控制頻率、相位和幅度；（2）具有頻率、相位、幅度線性掃描、調(diào)制功能；（3）32位頻率控制寄存器；（4）14位相位偏移控制寄存器；（5）10位幅度輸出控制寄存器。

3.2 雙核微控制器芯片F(xiàn)28M35H52C1

本設(shè)計采用TI公司的雙核微控制器芯片F(xiàn)28M35H52C1為控制核心，控制子系統(tǒng)DSP核通過SPI接口控制DDS芯片AD9959，主器件子系統(tǒng)ARM核通過以太網(wǎng)控制器接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實時快速通訊傳遞參數(shù)，進(jìn)行核磁共振控制臺系統(tǒng)射頻頻率調(diào)整與控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

核磁共振頻率源系統(tǒng)軟件設(shè)計包括系統(tǒng)初始化程序、以太網(wǎng)通訊程序、AD9959控制發(fā)送程序、AD9959通道選擇程序、AD9959時鐘設(shè)定程序等模塊。

5 實驗數(shù)據(jù)及應(yīng)用實例

該系統(tǒng)在實驗室核磁共振分析儀上進(jìn)行了實驗測試，采用安捷倫公司頻譜分析儀N9010A進(jìn)行了相關(guān)測試實驗。以DDS輸出的10MHz中頻頻率為例，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

從實驗數(shù)據(jù)分析，其中頻率穩(wěn)定度，頻率分辨率等指標(biāo)滿足一般的核磁共振分析儀的控制臺輸入要求，可以應(yīng)用到實驗室儀器的調(diào)試與前期實驗。

6 結(jié)語

本文從系統(tǒng)的整體設(shè)計，硬件設(shè)計，軟件設(shè)計等方面提出了設(shè)計方法和原理，該系統(tǒng)能夠配套核磁共振控制臺實現(xiàn)基本的中頻輸出和本振輸出功能，各項指標(biāo)基本滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣赟，蔣瑜，陶紅艷，李鯁穎.用于核磁共振的直接數(shù)字合成頻率源[J].波譜學(xué)雜志，2001，18（4）：351-355.

[2]曾權(quán).核磁共振波譜儀數(shù)字濾波器的設(shè)計[J].廈門大學(xué)學(xué)報，199，35（5）：719-724.

[3]寧瑞鵬，徐勤，沈杰，李鯁穎.基于PCI總線的全功能數(shù)字化頻率源[J].波譜學(xué)雜志，2006，23（2）：209-215.

[4]王金山.核磁共振波譜儀與實驗技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.endprint