電磁成像系統正弦信號發生器的設計

于長敏　申海

摘? 要：磁感應斷層成像（Magnetic Induction Tomography， MIT）是一種非接觸式測量電導率的成像技術，在MIT技術中，純凈穩定的信號是后續工作順利進行的前提。文章采用DDS技術設計實現的信號發生器，通過AD9851和STC89C51單片機控制，輸出正弦波。由于輸出的正弦信號有雜波且輸出波形有所衰減，文章還設計了低通濾波模塊和信號調理放大模塊，通過對預期信號與實際信號的對比，發現設計的信號發生器能夠滿足實驗預期，為后續的實驗提供良好的信號輸出。

關鍵詞：DDS技術;信號發生器;芯片AD9851;單片機STC89C51;低通濾波

中圖分類號：TM935;TN741 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：2096-4706（2021）17-0051-05

Abstract： MIT （Magnetic Induction Tomography） is a non-contact imaging technology for measuring conductivity. In MIT technology， pure and stable signal is the premise for the smooth progress of follow-up work. In this paper， the signal generator designed and implemented by DDS technology is used to output sine wave， controlled by AD9851 and STC89C51 single-chip microcomputer. Because the output sinusoidal signal has clutter and the output waveform is attenuated， this paper also designs a low pass filtering module and signal conditioning and amplification module. Through the comparison between the expected signal and the actual signal， it is found that the signal generator designed in this paper can meet the experimental expectation and provide good signal output for subsequent experiments.

Keywords： DDS technology; signal generator; chip AD9851; single-chip microcomputer STC89C51; low pass filtering

0? 引? 言

在自動化系統及許多需要高精度電子測量技術中，一個高精度的函數信號發生器是至關重要的。而直接數字合成器（DDS）是一種很重要的數字化技術，它是一門新型的高頻合成技術，集高速的頻率轉換時間、極高頻率分辨率和理想的信噪比于一身。與一般頻率綜合器件完全不同，它具備了成本低、功率低、分辨率高、可在極短距離內高速切換等優勢。在短短的二十幾年的發展，基于理論層面的不斷完善與集成工藝的愈發精湛，DDS已實現商品化生產模式。全球各大知名公司為此投入大量心血與精力，對DDS產品不斷完善、創新。隨著一些超高速器件的出現，DDS逐漸克服了其輸出帶寬的局限性。但是由于其本身的雜散特性無法避免，成為制約DDS發展的主要因素。

本論文采用基于DDS技術的AD9851芯片設計輸出低頻正弦信號源。首先介紹直接數字合成（DDS）技術以及其關鍵結構;其次基于AD9851以及STC8951單片機進行信號源的設計，并介紹本論文設計的控制模塊、濾波模塊以及放大模塊，對所設計的硬件電路結合軟件進行測試，并將實際輸出信號與預想信號做對比討論;最后對本論文目前的研究設計進行總結。

1? 直接數字合成（DDS）技術

1.1? 直接數字合成技術的概念

DDS的概念最早由J.Tierney和C.M.Tader等人首次提及在“A Digital Frequency Synthesizer”一文中。在DDS概念提出十幾年期間，微電子技術高速發展，DDS技術（Direct Digital Frequency Synthesis）也迎來了它的時代，相較于其他頻率合成方法，DDS的優越性更加突出并被大眾所接受，為頻率合成技術開啟了一扇嶄新的大門[1]。DDS是一種新的頻率合成技術，它具有高頻率的分辨率和理想的相位噪聲。DDS在進行調頻時，可以使相位輸出連續，所以頻率、相位、幅相的調制就變得非常容易。大多數利用數字電路技術實現DDS技術，因此方便邏輯編程控制的優點最突出。此外DDS還具有可產生任意波形、反應時間短、分辨率高、便于集成等特點[2]。

但這并不意味著DDS技術沒有缺點，它的局限性主要表現在有限的輸出頻帶范圍和不可避免的引入雜散[3]。

1.2? 直接數字頻率合成技術關鍵結構

直接數字頻率合成（DDS）技術源于sin（x）函數的規律，從相位出發，直接對基準信號進行采樣，得到與時間相對應的采樣信號，將得到的信號通過sin（x）函數公式進行轉換，得到與sin（x）函數對應的離散信號，進行采樣信號向離散信號的轉變，最后經A/D轉換器及濾波后輸出光滑的頻率穩定的模擬正弦信號。DDS主要包括以下幾個模塊，分別是：相位累加器、 ROM存儲器、數模（D/A）轉換器以及低通濾波器。圖1顯示了它的基本結構。

由式（1）和式（2）可得出，加法器位數、寄存器位數和fclk為固定值時，輸出頻率僅由FW決定，且成正比例函數關系。故當改變FW時，信號輸出頻率也作出相應的改變，由此達到理想的調頻功能。

DDS技術的核心是相位累加器。主要是由N位累加器與N位的寄存器組成，如圖2所示。

其工作原理如下：DDS模塊在脈沖信號的作用下進行運作，當每有一個脈沖信號到達，累加器就把頻率控制字FW和寄存器輸出的信號相加，將相加后的值繼續輸入到寄存器中，同時寄存器也將上一次脈沖信號到達所產生的值重新傳送給累加器，如此不斷地進行輸出與重傳，這個過程構成了一個反饋環節，可以減小輸出信號與給定信號的誤差，使系統趨于穩定。使得效果更好。因此，隨著脈沖信號的不斷輸入，不斷地進行累積FW。與此同時，通過搜索FW對應于該地址的幅度表，在ROM內存中使用從相位累加器輸出的數據作為地址，完成從相位向幅度轉換[4]。

在脈沖信號的影響下，相位累加器隨時間的流逝進行相位的累加，當DDS信號每實現一個循環周期時，累加器就進行一次頻率的疊加。由此可以得出這樣的結論：相位累加器的速度直接影響系統速度的快慢。

經過相位累加器的一系列操作后的最終信號作為ROM存儲器的地址，通過波形存儲器把信號相位信息轉化為數字振幅信息，此時輸出的數字振幅信息作為 A/D轉換器的輸入[5]。圖3顯示了波形存儲過程。

D/A轉換器將 ROM存儲器輸出的數字量信號轉換成所要求的模擬量信號，但其分辨率不是很高，所以得到的模擬量呈階梯狀。為使輸出波形排除其它干擾信號，必須通過低通濾波器進行濾波處理[6]。

但目前為止，DDS工作速度主要受D/A轉換器影響，D/A轉換器字寬也影響了它的分辨率和無用信號的噪聲分量，可通過擴增D/A的位數消除波形中無用信號的干擾。

2? 基于AD9851實用信號源設計

2.1? 硬件設計性能指標

對于給定10 Hz的信號，AD9851信號源可以輸出小于40 MHz的信號，且用示波器查看輸出波形不失真無雜波，波形平緩穩定，波形大小適中。

2.2? 信號源設計

圖4顯示了STC89C51和AD9851之間并行連接控制的接口情況。可以直觀地看出，STC89C51的P1.0～P1.7用作AD9851的數據輸入端口，P3.4～P3.6用作數據傳輸端口，用于控制AD9851的相應三個引腳，經過濾波放大后得到完整的波形信號[7]。

圖5為基于DDS技術的AD9851信號源設計圖。原理圖可分為3個模塊：STC89C51控制模塊，濾波模塊和放大模塊。單片微機先復位，初始化AD9851，輸出預設頻率，經濾波放大后輸出。

2.2.1? STC89C51控制模塊

單片機與AD9851采用并行方式連接，此部分為整個信號發生器的控制核心，可以發揮單片機的高速運轉能力來快速驅動各功能模塊。具體控制連線圖如圖6所示。

AD9851的D0～D7引腳連接到STC89C51微控制器的P1.0～P1.7引腳，AD9851的頻率更新控制信號FQ_UD與STC89C51的P3.7引腳相連，W_CLK端與P3.6引腳相連。每一次寫控制數據時，8位總線D[0，7]可以過順序完成數據輸入，40位數據分5次完成。當給定外部參考時鐘頻率，根據DDS的工作原理，可以得出由控制字產生的頻率分辨率，由此可以判斷能否實現頻率步進。

2.2.2? 濾波模塊

實際電路中，增加信號頻率，可使輸出電壓幅值減小，對輸出信號進行放大是極為必要的，它可以清晰地顯示在示波器上，示波器顯示的放大輸出信號包含雜波或直流分量信號，使輸出波形不光滑，因此，在放大示波器前，還要進行信號濾波，消除干擾信號。基于以上特點采用橢圓濾波電路，此濾波電路沒有規定具體所需的元器件，因此本論文采用電感和電容相結合的設計方法進行濾波器的設計，可隨意添加或者減少元器件，具有靈活方便的特點。具體連線圖如圖7所示[8]。

2.2.3? 放大模塊

DDS的輸出信號在無外接負載的條件下輸出電壓電壓較為穩定，但是當接入外部負載時，輸出信號有所衰減，并且在高頻信號的時候表現的極為明顯，根據設計指標要求，要求電路需要帶有一定的負載驅動能力，即要求DDS輸出信號的電流達到一定的范圍[9]。根據以上情況，本實驗設計了如圖8所示的電路解決問題。

本論文采用芯片AD0865作為放大電路的核心，采用此款芯片設計的電路的+IN引腳連接電阻接地，且+IN端連接的電阻必須與-IN端連接電阻的阻值相同，構成差分運放。通過上述接線方式輸出的正弦波波形呈此起彼伏的輸出，而不是單一不變的。

2.3? 軟件程序設計

軟件編程主要基于AD9851控制字模式，控制AD9851芯片的輸出信號，由MCU將40位控制字輸出到AD9851并控制輸出頻率。

圖9為設計的程序流程圖，STC89C51在系統供電后進行初始化，AD9851也進行初始化，STC89C51對AD9851進行控制，而后在示波器上顯示輸出波形。

以下為AD9851的實用程序：

{對AD9851進行復位;}

這個函數被下面發送控制字函數調用：

{ 向AD9851輸入上升沿有效的信號，依次進行存儲;}

單片機向AD9851發送控制字程序：

{利用一定的頻率進行依次輸出}

3? 信號源測試

通過硬件設計和軟件程序的編寫，已基本完成信號發生器的設計，現進行功能調試，觀察程序是否正確以及電路是否正常。圖10為本論文實驗所預期的波形示意圖;圖11為本論文所設計的信號發生器的輸出波形示意圖。

通過兩張波形示意圖的對比可以清晰的看出，本論文所設計的信號發生器能夠得到穩定純凈的信號波形，與預期想法一致，實驗結果正確。

4? 結? 論

本論文基于DDS技術的AD9851信號源的設計方法。STC89C51為控制單片機，AD9851為設計的核心，二者采用并行連接的方式實現電路的設計，經濾波放大后能夠輸出較為完整平滑的正弦波，具有信號頻率好，準確度高，分辨率高的特點。

通過本論文設計的信號源，基本完成了一個函數信號發生器的設計，實現了電磁成像的第一步。本論文完成的工作包括硬件的設計、輸出信號濾波和放大。從實驗結果來看，本論文設計的函數信號發生器較為穩定，能夠為進一步的電磁成像打下基礎。

本文主要完成以下工作：

（1）設計了基于DDS技術的輸出正弦波信號的信號源。采用DDS技術是本文的一大亮點，不同于傳統的信號發生器，此信號源分辨率高，輸出相位噪聲低，靈活方便。

（2）設計了信號的濾波電路。采用橢圓濾波電路，濾除雜波和直流信號的能力更強，且在誤差范圍內的電容值和電感值均可完成實驗。

（3）將設計了信號的放大電路。采用該放大電路可以更好的實現信號的放大，且放大器件成本低廉，工作溫度與整體電路工作溫度一致，減少外部條件影響，避免誤差。

參考文獻：

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[3] 吳智浩.基于單片機平臺與AD9851的高頻信號發生器的設計 [J].電子技術與軟件工程，2021（14）：67-69.

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作者簡介：于長敏（1997.03—），女，漢族，黑龍江安達人，碩士在讀，研究方向：光電智能控制;通訊作者：申海（1976.10—），女，漢族，山東日照人，教授，博士，研究方向：控制科學與工程。