基于AD9859的核磁共振频率源的设计

孙俊峰

（电子科技大学，四川 成都 611731）

基于AD9859的核磁共振频率源的设计

孙俊峰

（电子科技大学，四川 成都 611731）

介绍了频率源在核磁共振中的应用，根据核磁共振谱仪的要求采用DDS技术完成了频率源设计。介绍了直接数字频率合成（DDS）原理，阐明了采用AD9859实现频率源的原理，具体描述了AD9859的硬件配置电路以及相应的软件设计。设计了信号处理电路，使输出的正弦波更加稳定，平滑。该设计能够在整个频段内输出良好的单频正弦信号，满足核磁共振波谱仪对频率源的要求。

核磁共振；频率源；直接数字频率合成;AD9859；低通椭圆滤波器；AGC

（一）引言

核磁共振是研究物质结构的重要技术，核磁共振谱仪是实现这种研究的主要手段。频率源是核磁共振谱仪和核磁共振成像系统的重要组成部分，主要用来产生样品激发信号或检波的本振信号。现代核磁核磁共振技术要求频率源在输出频段内的频率具有高稳定度、高频谱纯净度、高分辨率和低的噪声等特性并且能够实现频率、相位和幅度的快速调制能力。传统的频率源是利用电子元器件以各种不同的形式组成振荡器，其频率精度和稳定度都不高，而且工艺复杂，分辨率低。直接数字合成技术近年来得到了飞速发展，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一种关键技术。利用 DDS技术可以得到高精度的频率，其频率范围宽，相位分辨率高，频率转换时间短，而且体积小、功耗低、可编程，是目前设计频率源的一种理想方案。

（二）DDS原理

DDS是通过对相位的运算进行频率合成的，主要理论依据是时域抽样定理（Nyquist定理），其工作原理是通过累加较高频率信号的相位变化量，已产生给定低频信号的数字化波形。DDS是一种把数字信号通过数模转换器转换成模拟信号的合成技术。DDS的基本结构和各个单元输出波形如图1所示。可以看出，可编程DDS系统由相位累加器、正弦查询表、D/A转换器和低通滤波器组成。参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。

图1 DDS结构和各个单元输出波形

DDS的具体工作过程为：在时钟fclk的作用下，相位累加器对频率控制字（Frequency Turning Word，FTW）K进行线性累加，当相位累加器计满量程时就会产生一次溢出，累加器的溢出频率就是 DDS输出的信号频率。相位累加器输出的相位码送至相幅转换器进行转换，当取不同的频率控制字 K时，将导致相位累加器的不同相位增量，这样相幅转换器输出的正弦波的频率不同，从相幅转换器输出的 N位幅度转换码经过数模转换器（DAC）变换后得到模拟的阶梯波波电压，阶梯波电压经低通滤波器平滑后即可得到所需要的正弦波信号。

（三）AD9859简介

AD9859是Analog Devices 公司2004年推出的一款高集成度器件，它内部集成了一个10位DAC，最高工作频率高达400MSPS。AD9859采用先进的DDS技术，加之芯片上集成的高速高性能的 DAC，构成了一个数字可编程的完成的频率合成器，能够产生高达200MHz的正弦波。在具有快速的频率跳变能力的同时，AD9859还具有很高的频率分辨率，这是由其内部的 32位频率控制字保证的。AD9859支持两种串行通信模式：两线数据传输方式和三线数据传输方式。频率转换控制字通过串行I/0口写入到AD9859的内部寄存器中可以实现快速变频。其应用范围包括灵敏的本振频率合成器、可编程时钟发生器、测试和测量仪器以及商业和业余射频激励等。AD9859的内部功能框图如图2所示。

图2 AD9859的内部功能框图

其主要特性如下：

·内置400MSPS时钟

·内含10位DAC

·32位频率转换字

·在1KHz频率偏移时相位噪声优于-120dBc

·极优的动态特性：在160M输出时有75dB的无杂散动态范围

·串行I/O口控制

·采用1.8V供电

·硬件或软件控制的掉电模式

·集成内部振荡器和时钟倍频器

AD9859在参考时钟为400MHz时，其最高输出信号频率可达200MHz，频率分辨率小于0.1Hz，同时由于AD9859集成有内部振荡器和锁相环时钟倍频器，可以用单一的晶振作为系统的参考时钟，简化了系统时钟的设计。因此选用AD9859作为频率源的核心器件。

（四）硬件电路设计

基于DDS的核磁共振频率源是由STC89LE52RC微控制器、DDS芯片AD9859、宽带运算放大器AD9632、低通滤波器和可变增益放大器AD8368几部分构成，其总体框图如图3所示。

图3 频率源总体框图

1.控制接口电路

本设计中使用STC89LE52RC微控制器作为主控制器，它的作用是往AD9859中写入控制字和频率转换字，其电路图如图4所示。STC89LE52RC的P2.0口控制着数据更新，上升沿到来时 AD9859更新内部寄存器；在本设计中，单片机和AD9859的通信采用2线数据传输方式，SDIO既作为串行数据的输入口，也作为串行数据的输出口，STC89LE52RC和AD9859之前的数据传递都是通过SDIO完成的；SCLK是I/O操作的串行数据时钟，用P2.2口控制，软件模拟串行数据输入输出所需要的时钟；P2.3口连接AD9859的片选端（ ）,低电平有效，它输出低电平时就可以与AD9859通信了；P2.4口连接到IOSYNC端，IOSYNC是串行口控制器的异步复位引脚，为高电平时，立即终止当前的 I/O操作，当它由高电平回到低电平时可以开始新的I/O操作；P2.5口控制着AD9859的复位端（RESET）。

图4 STC89LE52RC和AD9859的接口电路设计

2.信号调理电路

信号调理电路如图4所示。由于AD9859最终是以差分电流的形式输出，需要变双端输出为单端输出，这里采用AD9632宽带运算放大器构成差分比例运算电路完成双端到单端的转换。AD9859内部没有低通滤波器，因此经过DAC输出的正弦阶梯波含有高频噪声，噪声可分为两类：一类为 DAC数模转换所带来的阶梯波形分量及其高次谐波，另一类为AD9859内部时钟及其高次谐波。因此需要在后级接一个低通滤波器来滤除高频分量，产生稳定、平滑的正弦波，这里设计了一个7阶的低通椭圆滤波器。

图5 信号调理电路

3.功率控制电路

核磁共振实验要求频率源输出功率为10dBm，并且在整个频段内功率波动小于1dB。而由DDS输出的信号功率一方面比较小，另一方面是DDS输出的信号功率在低频时输出功率大，高频时输出功率小，整个频段内功率波动大于20dB。因此需要对AD9859输出信号功率进行调节，使整个频段内输出信号功率为10dBm。

这里功率控制电路的实现采用的是自动增益控制电路，通过选用可变增益放大器 AD8368构成自动增益放大电路。AD8368是AD公司出品的一款高性能可变增益放大器，它有两种工作方式，当MODE管脚接高电平时，AD8368可作为一个典型的VGA工作，增益随控制电压增加；当MODE管脚接地并使用集成的平方率检波器时，增益随控制电压递减，能实现一个完整的闭环AGC,默认输出幅度稳定在63mV rms，并且通过简单外围电路，这个输出幅度能够调节到所需要的值。在设计中将AD8368配置成AGC模式，其电路如图6所示。

图6 自动增益控制电路

（五）软件设计

DDS的输出频率fo是系统时钟频率fs，频率转换字FTW和累加器容量的函数，它们具体关系为

通过改变频率转换字 FTW可以得到所需要的各个频率，这也正是利用 DDS设计扫频源的核心思想。软件的编写主要是通过单片机STC89LE52RC来实现，从而完成对AD9859的控制操作。软件流程图如图7所示。

结论

频率源是核磁共振波谱仪的核心部分。利用AD9859设计的频率源频率范围宽，经测试本系统在频率范围内的各个频点上都能产生很好的正弦波，通过选择常用的 STC89LE52RC作为核心控制器，既简化了设计又节约了成本。本设计性价比高，是一种良好的数字化设计，为核磁共振波谱仪的设计铺平了道路。

图7 软件流程图

首先在单片机初始化完毕后对AD9859进行初始化配置，输出上电后的默认波形，然后进入键盘扫描程序检测是否有键按下，根据按键从新配置AD9859输出不同频率的正弦波。

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[5]AD9859 Datasheet,Analog device.

TN74

A

1008-1151(2011)04-0044-02

2011-01-15

孙俊峰（1987－），男，河南驻马店人，电子科技大学电子工程学院研究生，研究方向为电路与系统。