產(chǎn)生信號(hào)的方法很多,，可以采用函數(shù)發(fā)生器外接分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)外接電容或電阻來(lái)設(shè)置輸出信號(hào)頻率,。但輸出信號(hào)受外部分立器件參數(shù)影響很大,，且輸出信號(hào)頻率不能太高，同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)調(diào)節(jié),。另外,，采用FPGA可實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。但當(dāng)輸出高頻信號(hào)時(shí),，需要高速D/A 來(lái)配合工作,。本文采用數(shù)字直接合成技術(shù)，采用專用集成芯片AD9834作為信號(hào)產(chǎn)生模塊,，由DSP21992.html" style="color: rgb(0, 0, 0); text-decoration: underline; " target="_blank">ADSP21992來(lái)作為控制器來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。利用此方法不僅克服了外搭分立元件的干擾，而且AD9834內(nèi)部有D/A轉(zhuǎn)換器,，縮小了信號(hào)源的體積,，從而滿足了測(cè)井儀器的要求。
信號(hào)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,。系統(tǒng)選ADSP21992作為主控制器,，通過(guò)鍵盤(pán)顯示與控制芯片7279來(lái)接收功能設(shè)置和參數(shù)設(shè)置等信息，并將輸出信號(hào)等信息送到數(shù)碼管顯示,。同時(shí),，控制器將讀取的按鍵信息轉(zhuǎn)換成控制命令通過(guò)串行接口送給AD9834，由AD9834產(chǎn)生正弦信號(hào),，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理,，使信號(hào)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。
圖1 信號(hào)源整體設(shè)計(jì)框圖
ADSP21992控制DDS模塊
本設(shè)計(jì)采用ADSP21992作為控制器件,，它的最高工作時(shí)鐘頻率達(dá)到150MHz,，提供一個(gè)獨(dú)立的、標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口SPI,，在此主要利用SPI總線向AD9834發(fā)送頻率控制字,，使AD9834產(chǎn)生符合要求的高頻信號(hào)。串行外設(shè)接口SPI提供了一個(gè)4線,、全雙工串行總線的能力,，本設(shè)計(jì)中SPI器件不需要接收數(shù)據(jù)，因此將它配置為主器件,。SPI使用4個(gè)信號(hào)：主出從入（MOSI）,、主入從出（MISO）,、串行時(shí)鐘（SCLK）,、從選擇（SPISS),。其中串行時(shí)鐘頻率最高可以是外設(shè)時(shí)鐘頻率的1/4。AD9834的電源電壓在2.3V到5.5V范圍內(nèi)可選,，ADSP21992的電源電壓為3.3V,，所以在連接時(shí)無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。由于ADSP21992只向AD9834發(fā)送數(shù)據(jù),，不需要接收數(shù)據(jù),，因此要將ADSP21992的SPI設(shè)置為主器件。具體接口電路如圖2所示,。
圖2 ADSP21992與AD9834的接口
DDS電路設(shè)計(jì)
DDS電路設(shè)計(jì)主要包括接口電路,、DDS芯片及信號(hào)調(diào)理電路等，接口電路主要對(duì)DSP發(fā)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行接收,，接收DSP的控制命令,，DDS根據(jù)收到的DSP控制命令及接收到的頻率控制字，生成符合頻率要求的信號(hào)并輸出,。由于DDS的輸出為電流信號(hào),，因此，必須將電流信號(hào)通過(guò)負(fù)載轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),，將得到的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理即可得到所需的正弦信號(hào),。DDS電路設(shè)計(jì)的原理框圖如圖3所示。
圖3 DDS電路設(shè)計(jì)的原理框圖
DDS模塊
直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)具有輸出信號(hào)精度高,、變頻速度快,、輸出信號(hào)連續(xù)、控制方便及性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn),，因而適用于高頻,、高精度正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選用AD9834,，它主要由數(shù)控振蕩器(NCO),、相位調(diào)制器、正弦查詢表ROM和1個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換器組成,。數(shù)控振蕩器和相位調(diào)制器主要由2個(gè)頻率選擇寄存器,、1個(gè)相位累加器、2個(gè)相位偏移寄存器和1個(gè)相位偏移加法器構(gòu)成,，它的最高工作頻率可達(dá)50MHz,。AD9834的輸出頻率f0由（1）式求得
其中fMCLK為AD9834的時(shí)鐘頻率； FREQREG為寫(xiě)入28位頻率寄存器的值,； fMCLK/228為頻率分辨率,。在本設(shè)計(jì)中選擇fMCLK=16.384MHz,，頻率的分辨率為0.0061MHz，滿足設(shè)計(jì)要求,。根據(jù)公式（1）代入fMCLK=16.384MHz,， f0=20kHz，求得
將FREQREG的值反代入公式（1）得到AD9834的真實(shí)輸出頻率為
差分放大電路設(shè)計(jì)
差分放大環(huán)節(jié)采用AD公司生產(chǎn)的AD620芯片,。AD620是低功耗,、低噪聲、高性能儀表放大器,，通過(guò)外接一個(gè)電阻可以改變其增益（范圍為1到10000）,。可以很好地完成差分信號(hào)到單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換,。其管腳如圖4所示,。其中RG端為外接電阻端，通過(guò)其調(diào)節(jié)電壓增益,；+IN,、-IN分別為差分器輸入的同相端和反相端；+Vs,、-Vs分別為正負(fù)電源端,；OUTPUT為信號(hào)輸出端；REF為輸出參考電源端,。
圖4 AD620管腳圖
濾波電路
AD9834內(nèi)部存在D/A轉(zhuǎn)換器,，信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出。由D/A輸出階梯波的頻譜分析可知,，除了主頻之外,，頻譜中還出現(xiàn)主頻的倍頻分量，這種高頻分量可視為噪音,。由于DDS技術(shù)含有上述噪聲,，所以必須在D/A轉(zhuǎn)換器之后接濾波電路。這里采用二階壓控電壓源低通濾波電路,，其特點(diǎn)是輸入阻抗高,，輸出阻抗低。二階壓控電壓源低通濾波電路如圖5所示,。
圖5 二階壓控低通濾波電路
本設(shè)計(jì)的截止頻率為20kHz,，選擇C=0.047?F，經(jīng)計(jì)算得R=12.305kΩ ,，R1=16.651kΩ ,， RF=9.757kΩ 。利用上述的電路和參數(shù)驗(yàn)證，達(dá)到了阻帶衰減速度快,，相位呈線性的理想效果,。
高頻放大電路
為增大AD9834 輸出信號(hào)幅值，采用高頻運(yùn)放AD811進(jìn)行信號(hào)放大,，它具有高速,、高頻、寬頻帶,、低噪聲等優(yōu)異特性,。但考慮到輸出信號(hào)幅值隨頻率增大而減小，系統(tǒng)采用數(shù)控電位計(jì)X9C102 來(lái)實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娣糯?，即依?jù)輸出信號(hào)頻率的不同來(lái)改變數(shù)控電位計(jì)的值，以改變?cè)鲆??？勺冊(cè)鲆娣糯笃髟韴D如圖6所示。
圖6 可變?cè)鲆娣糯笃髟韴D
軟件實(shí)現(xiàn)
軟件流程圖如圖7所示,，主要包括復(fù)位,、初始化、寫(xiě)頻率字和控制字等部分,。初始化部分主要包括對(duì)DSP的SPI串行口初始化及配置和對(duì)DDS的初始化,。本設(shè)計(jì)把ADSP21992作為主機(jī)，通過(guò)設(shè)置SPICTL寄存器使DSP成為主機(jī),，選擇SPICTL寄存器里的TIMOD值為01,，從而啟動(dòng)SPI傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),，DSP自動(dòng)將TDBR寄存器的內(nèi)容裝入到發(fā)送移位寄存器,；當(dāng)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時(shí)，自動(dòng)將接受一位寄存器的內(nèi)容裝入到RDBR寄存器,。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，AD9834采用串行控制比特位方式選擇相位、頻率寄存器,；PIN/SW=0,，選擇控制字模式； FSEL=0,，選擇使用頻率寄存器0,；D13=0時(shí)，將28位的頻率寄存器分成2個(gè)14位的寄存器工作,，且頻率字的高14 位和低14 位可以獨(dú)立改變,。SDATA、SCLK 和FSYNC 3個(gè)引腳向AD9834 中寫(xiě)數(shù)據(jù)和控制字。當(dāng)FSYNC=0時(shí),，表示向AD9834 寫(xiě)入1個(gè)新字,，并將在下1個(gè)SCLK的下降沿讀入第1位，其余的位在隨后SCLK 的下降沿讀入,，經(jīng)過(guò)16個(gè)SCLK下降沿后,，置FSYNC=1，實(shí)現(xiàn)了DSP對(duì)AD9834 的控制,。
圖7 程序主流程圖
結(jié)語(yǔ)
本文采用ADSP21992和DDS 芯片AD9834 實(shí)現(xiàn)高頻正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì),，克服了傳統(tǒng)方法中輸出信號(hào)受外界元件參數(shù)影響的缺點(diǎn)，同時(shí)AD9834 內(nèi)部集成有高速D/A,，可直接輸出正弦信號(hào),，避免外接D/A，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,。AD9834 輸出正弦信號(hào)精度高、穩(wěn)定性好,、輸出信號(hào)連續(xù),、控制方便，將基于上述優(yōu)點(diǎn)的信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用于三維感應(yīng)測(cè)井中,，可以提高系統(tǒng)性價(jià)比,，達(dá)到三維感應(yīng)測(cè)井對(duì)信號(hào)源的要求。同時(shí),，基于DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器將獲得廣泛的應(yīng)用,。