介質電阻率頻率特性測試儀信號源設計

劉長勝，徐德鵬，王載陽，史 可

（吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130021）

介質電阻率頻率特性測試儀信號源設計

劉長勝，徐德鵬，王載陽，史 可

（吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130021）

為了了解頻率改變對介質電阻率的影響，提出了一種基于直接數字式頻率合成（DDS）技術的介質電阻率頻率特性測試儀信號源系統設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統使用MSP430F149控制AD9850產生頻率可調的正弦波信號。經過測試表明，該系統能夠為介質電阻率頻率特性測試提供一個性能優良的信號源，達到了設計要求。關鍵詞：直接數字頻率合成；AD9850；信號發生器；MSP430F149

電阻率作為表示各種介質電阻特性的物理量，受到介質物質成分、孔隙結構中含水量、環境溫度等影響。在進行海洋電磁探測或是陸地電磁探測時，針對不同深度的探測采用不同頻率的信號進行探測。不同頻率探測得到的介質的電阻率的差異除了隨探測深度改變而改變外，還有可能受到頻率改變的影響。同時，無論是海洋電磁探測還是陸地電磁探測，在進行室內等比例模擬時，需要通過提高頻率來縮小尺寸，而這樣就導致在測量介質參數時存在的誤差就有可能來源于頻率的改變。另一方面，在介質的材料、介質含水量及環境溫度等多種參數對介質電阻率影響的研究中，卻都忽略了頻率對介質電阻率的影響。因此，探究頻率改變對介質電阻率的影響顯得尤為重要。同時，在野外環境下信號的頻帶范圍很寬，因而在室內時要盡可能保證在寬頻帶范圍內對電阻率的頻率特性進行測試。而一個分辨率高，頻帶范圍寬的可調頻率的正弦信號發生器可以保證在研究頻率改變對介質電阻率的影響時能夠提供一個良好的信號源。

針對上述要求，直接數字式頻率合成（DDS）技術都能夠很好地滿足。頻率合成技術經歷了直接式、間接式、直接數字式3個不同的發展階段。早期的直接頻率合成由于采用了大量的模擬器件，導致其結構復雜、尺寸和重量大，且輸出噪聲、諧波、寄生頻率難以抑制，適用于精度要求不是很高的場合［1］。鎖相環（PLL）頻率合成技術通過改變PLL中的分頻比N來實現輸出頻率的跳頻，其缺點是無法避免縮短環路鎖定時間與提高頻率分辨率之間的矛盾，因此很難同時滿足高速和高精度的要求。與傳統的頻率合成器相比，直接數字式頻率合成（DDS）技術是一種將先進的數據處理理論與方法引入到頻率合成領域的全數字頻率合成技術。DDS具有相對帶寬較寬，頻率轉換時間短，輸出相位連續，頻率分辨率極高等特點，且使用比較靈活。正因為DDS技術具有上述其他頻率合成方法無法比擬的優點，因此它獲得了飛速的發展和廣泛的應用，是一種很有發展前途的技術。

1 DDS的基本工作原理

直接數字式頻率合成（DDS）是一種運用數字技術來實現產生信號的方法。它是一種從相位概念出發直接合成所需波形的頻率合成技術。DDS的基本原理框圖如圖1所示。通常由以下幾個部分組成：參考時鐘源（fc）、相位累加器、正弦查詢表、數模轉換器（DAC）、低通濾波器（LPF）等。其中，整個電路系統的參考頻率源輸出的頻率信號將被用于各部件的工作時鐘，因此必須使用具有高穩定度的晶體振蕩器。在每一個時鐘脈沖輸入的時候，相位累加器將頻率控制字累加一次，它輸出的數據就是要合成信號的相位，溢出頻率就是DDS輸出信號頻率［2］。

設頻率控制字為M，相位累加器為N位，則DDS的信號輸出頻率為：

圖1 DDS原理框圖Fig.1 The principle diagram of DDS

它的頻率分辨率為：

由式1可以得出，信號輸出頻率與頻率控制字和參考時鐘成正比。若想改變信號輸出頻率的大小可以采用改變頻率控制字M和參考時鐘fc的值的大小來進行。本文采用改變頻率控制字M的方法來改變頻率輸出大小。

2 硬件電路設計

本系統以單片機MSP430F149為控制核心，以AD9850為技術核心。通過鍵盤來改變輸出頻率的大小，然后經由1602液晶顯示出最后輸出的頻率值大小，AD9850的輸出經過橢圓低通濾波器進行濾波，最后再經過放大器輸出到負載。系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖Fig.2 The diagram of system structure

2.1 信號發生模塊

采用ADI公司的DDS器件AD9850，它的內部結構包括可編程DDS系統、高性能DAC和高速比較器，能夠實現全數字編程控制的頻率合成器。AD9850在接上精密時鐘源后可產生一個頻譜純凈、頻率和相位都可實現編程控制的模擬正弦波輸出。這個正弦波可以直接作為信號源輸出或者送入AD9850的高速比較器從而得到方波輸出。AD9850接口控制非常簡單，可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數據。AD9850具有32位頻率控制字，在125 MHz時鐘下，它的輸出頻率分辨率為0.029 Hz，頻率范圍為0.1～40 MHz，幅值范圍為0.2～1 V［3］。

AD9850默認復位為并行置入方式，所以要采用串行配置必須先進行切換。即在并行方式下寫入一個字節的控制字W0后，利用FQ_UD脈沖更新使其生效即可。AD9850并串配置切換硬件連接方法是：使D2=0，D1=D0=1，這樣在AD9850每次上電或系統復位時的配置方式皆為串行方式。AD9850的外圍電路如圖3所示。

2.2 微控制器

圖3 AD9850的外圍電路Fig.3 The peripheral circuit of AD9850

本設計的微控制器采用的是MSP430F149，它具有結構簡單、功耗低、抗干擾性強、易于開發等優點，且支持在線系統編程、無需編程器、方便系統的開發和維護［4］。系統工作時，MSP430F149將頻率控制參數和命令發送給 AD9850， AD9850在接收到命令后，就可以產生相應頻率的正弦波信號。AD9850與單片機MSP430F149之間可以采用并行接口或串行接口兩種方式，在本系統中，采用了串行接口方式實現DDS與單片機的連接。

2.3 濾波電路

DDS有一個明顯的缺點，輸出頻率越接近奈奎斯特帶寬的高端，采樣點數越少，其輸出的雜散干擾就越大，DDS芯片的輸出具有大量的諧波分量和系統干擾［5］。因此，為了得到輸出頻率上限為50 kHz的頻率，要盡可能地選擇輸出頻率能上限遠大于50 kHz的DDS芯片，這樣可以改善輸出頻率信號的質量。AD9850的頻率值遠大于本系統所要求的輸出頻率，可以滿足要求。

低通濾波器的頻率響應主要有3種：巴特沃思濾波器、切比雪夫濾波器和橢圓濾波器。巴特沃思濾波器的特點是通帶內比較平坦，缺點是過渡帶較寬。切比雪夫濾波器通帶內有等紋波起伏，但過渡帶比較陡峭。橢圓濾波器通帶內和阻帶內都有等紋波，但過渡帶陡峭。綜上所述，選擇過渡帶陡峭的橢圓濾波器是最佳方案。本文采用了橢圓濾波器，其電路圖如圖4所示。

圖4 橢圓濾波器電路圖Fig.4 The diagram of elliptic filter circuit

2.4 輸出放大電路

由于AD9850的輸出電壓比較小，大約1 V左右，為了得到5 V左右的輸出，必須要對信號進行功率放大。系統功率放大電路如圖5所示［6］。

圖5 功率放大電路圖Fig.5 The diagram of power amplification circuit

本系統采用OPA603進行功率放大。OPA603是一種電流反饋型寬頻帶運算放大器，它的-3 dB增益帶寬積能夠達160 MHz，最大電流輸出達150 mA，同時它的轉換速度快，電源電壓為單路或雙路輸入。完全滿足本系統的要求，因此OPA603可以用于本系統的寬頻放大模塊電路中。

3 軟件設計

本系統軟件設計主要分為以下3個模塊：AD9850模塊、1602液晶顯示模塊和鍵盤掃描模塊。其中AD9850模塊主要完成對AD9850的初始化和輸出相應的頻率控制字。1602液晶顯示模塊完成對頻率的顯示。鍵盤掃描模塊用來設定信號的輸出頻率。軟件設計流程圖如圖6所示。上電復位后，初始化液晶顯示，單片機對鍵盤進行掃描，當鍵盤的確認鍵被按下時對輸入值進行判斷，判斷其輸入值是否在頻率輸出范圍內，對輸入數據進行處理，將其轉換成頻率控制字，寫頻率控制字給AD9850，改變輸出頻率值，將頻率值送給1602液晶進行顯示。

圖6 軟件設計流程圖Fig.6 The flow chart of software design

4 系統測試及結果分析

根據系統設計的思路，分別完成硬件電路搭建、硬件調試、軟件調試等幾個步驟。輸出波形使用固緯GDS-2202A型數字示波器進行測試。對輸出的波形數據進行分析，分別選取頻率為1 Hz、10 Hz、100 Hz、1 kHz、10 kHz、50 kHz的波形進行測試，實際輸出頻率如表1所示。

表1 測試數據Tab.1 Test data

從表1當中我們可以看出該系統在測試點的頻率最大誤差要小于1%，系統性能優良，完全可以滿足頻率的輸出范圍在1 Hz～50 kHz，精度為0.1 Hz的要求，同時輸出幅值可達5 V。

5 結 論

由于采用了MSP430F149作為控制器，其靈活的接口、簡單的結構保證了系統能穩定地工作，提高了系統的穩定性。采用AD9850作為信號發生裝置，保證了系統的高精度。同時此設計方案可以改善如今的正弦信號發生器結構復雜、成本高等問題。同時，本設計也為研究頻率改變對介質電阻率的影響奠定了良好的基礎，為介質電阻率頻率特性測試提供了一個性能優良的信號源。

［1］王兵.頻率合成技術發展淺析［J］.電子信息對抗技術，2009 （3）:75-77.

［2］肖漢波.一種基于DDS芯片AD9850的信號源［J］.電訊技術，2003（2）:47-48.

［3］王娟，郭熙寶.基于DDS的正弦信號發生器的設計［J］.電子技術設計與應用，2011（9）:51-52.

［4］胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2000.

［5］彭輝生，陳永泰.DDS信號發生器中橢圓低通濾波器的設計［J］.電子元器件應用，2007（4）:57-61.

［6］漢澤西，張海飛.基于DDS技術正弦波信號發生器的設計［J］.電子測試，2009（8）:65-69.

Design of signal source for the frequency characteristic test of dielectric resistivity

LIU Chang-sheng，XU De-peng，WANG Zai-yang，SHI Ke
（College of Instrument Science and Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130021，China）

In order to understand the influence of frequency change on resistivity，put forward a kind of design scheme of signal source for the frequency characteristic test of dielectric resistivity based on Direct Digital Frequency Synthesis（DDS），and complete hardware and software design of the system.The system uses MSP430F149 to control the AD9850 generating sine wave signal of adjustable frequency.After testing，the system can provide an excellent source for the test of the frequency characteristics of dielectric resistivity，reaching the design requirements.

DDS；AD9850；signal generator；MSP430F149

TN741

A

1674－6236（2016）04-0078-03

2015-03-31 稿件編號：201503469

劉長勝（1979—），男，湖北武漢人，博士，副教授。研究方向：可控源電磁探測的理論和方法技術。