基于DDS的交变电流源系统

王夏伟，谷玉海，徐小力，把 鑫

(北京信息科技大学，现代测控教育部重点实验室，北京 100192)

1 系统原理及组成

设计了基于直接数字合成(DDS)技术的交变电流源，该系统由正弦波信号发生器，电压放大电路和电压控制恒流源3部分组成，其中波形发生器电路采用单片机控制DDS芯片AD9851得到正弦波，电压放大电路是采用OP37芯片搭建的三级放大电路，电压控制恒流源是Howland电流泵电路。交变恒流源的基本结构如图1所示。

图1 交变恒流源系统结构框图

图1中，单片机通过SPI总线可以将控制字写入DDS芯片AD9851，使AD9851输出设定频率的两路反相正弦信号。两路信号再经差分放大电路放大处理得到两路正弦波信号。该信号经Howland电流泵电路进行V-I变换，输出交变电流源。

2 正弦波发生器设计

2．1AD9851

正弦波发生器采用直接数字频率合成器(DDS)产生频率不同、幅值恒定的正弦电压信号[1-2]，选用的DDS型号为AD9851。AD9851是采用先进CMOS 技术生产的具有高集成度的直接数字频率合成器；该器件是在AD9850的基础上，做了一些改进以后生成的具有新功能的DDS芯片。AD9851相对于AD9850的内部结构，只是多了1个6倍参考时钟倍乘器，当系统时钟为180 MHz时，在参考时钟输入端，只需输入30 MHz的参考时钟即可。此外，AD9851还具有低功耗、接口简单等众多优点。

图2是AD9851的基本原理框图，AD9851是由32位相位累加器、正弦函数功能波形存储器、D/A变换器以及低通滤波器集成到一起。每当一个时钟脉冲出现时，相位累加器增加一个步长ΔPhase再与相位控制字相加，得到正弦查找表的地址。利用地址在波形存储器中查找数字幅度信息，同时输出到模数转换器DAC中，输出信号经过低通滤波器(LPF)即可得到一个频谱纯净的正弦波。因此输出的正弦波频率为：

fout=(ΔPhase×fclk)/232

(1)

式中：ΔPhase为频率控制字的数值；fclk为系统输入的参考时钟频率；fout为输出的信号频率。

图2 正弦波发生电路原理图

2．2DDS控制电路设计

使用集成LCD模块的8位PIC单片机PIC18F85J90作为中央控制器。具有片上LCD模块的PIC18F85J90的I/O口具有很强的驱动能力，可以直接驱动LCD显示，还可支持软件编程对比度的控制器，降低系统成本。所以将PORTB口直接与LCD液晶显示器MGLS-12864的8位数据口相连，进行数据交换和指令发送。同时，利用PORTC口的RB0～RB4与液晶显示器MGLS-12864的RS，RW，E，CSB，CSA引脚相连，控制数据交换的性质和方向。

此外，由于AD9851的操作非常简单，它拥有3线SPI接口和并行控制接口。因此，单片机选用PIC18F85J90芯片通过PORTA与芯片AD9851连接实现对A/D芯片的并行控制；也通过RB5～RB7引脚对AD9851进行串行控制。设计采用4×4键盘作为输入设备，由单片机的PORTD口作为矩阵键盘的数据端口，通过定时器来扫描检测键盘的按键情况。另外，为方便程序下载并且实现上位机控制功能，文中采用USB转串口电路，既可以下载程序又可以通过USB接口与PC机通信，从而实现上位机控制输出设定频率的正弦交变恒流源信号。

3 调理电路设计

为了将小信号调理为可以适合驱动V-I转换电路的信号，需要对小信号进行放大处理，这里采用高输入阻抗的差分放大器。信号调理电路如图3所示。

图3 差分放大电路

该电路将波形发生器输出的两路250 mV的反相正弦信号差分连接到三级放大电路。因为电路中R13=R15，R17=R18=R20=R22，R23=R25=R24=R26，故三级差模总增益为：

(2)

通常，第一级增益尽量高，第二级增益一般为1～2倍，这里第一级选择2倍，第二级为1倍。则取R17=R18=R20=R22=10 kΩ，第三级放大2倍，R23=R25=R24=R26=1 kΩ．要求电路的匹配性好，因此选用金属膜精密电阻，阻值可选在10 kΩ和几百kΩ间，则

(3)

先选定R14，通常在1～10 kΩ内，这里取R14=2 kΩ，则可由上式求得R14=2R13=2 kΩ．通常R1和R2不应超过R5/2，这里选R1=R2=510 Ω，用来保护运放的输入级。

OP37可提供与OP27一样的高性能，而且前者的设计可以对电路进行优化。这一设计变更将压摆率提高到17 V/μs，并将增益带宽积提高到63 MHz．此外，OP37不仅具有OP07的低失调电压和漂移特性，而且速度更高、噪声更低。失调电压低至25 μV，最大漂移为0.6 μV/℃，输出级具有良好的负载驱动能力，因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选。

4 交变恒流源电路设计

Howland电流泵原理电路如图4所示。当满足平衡条件：

(4)

负载电流IO可表示为：

(5)

此时电流泵的输出阻抗RO=∞，电压柔量为：

|VL|≤|Vsat|-R2B(IO+I1)

(6)

该Howland电路中的运放采用OPA548芯片，OPA548为低成本，高电压，高电流的可驱动多种负载的理想预算放大器，OPA548既可以是单电源，也可以是双电源。

图4 Howland电路原理图

5 软件系统设计

在设计中，由于AD9851芯片具有串行控制功能，而所使用的PIC18F85J90没有SPI接口，故采用软件模拟SPI操作的方法实现串行控制。

初始化后MCU通过定时器控制8位I/O引脚对键盘扫描，判断是否有键按下，如果没有则继续扫描，如果有则进行下一步处理；当发现有输入键按下，扫描是否有数字键按下；当发现有确认键按下，对输入数据进行处理。初始化MCU后MGLS-12864液晶屏开机显示欢迎界面：第一行为welcome；第二行为set frequency。然后通过按下输入键界面跳到输入界面用于输入信号的频率，按下确定键将输入频率送给AD9851。此外，还可以通过计算机对AD9851进行控制。系统软件设计流程如图5所示。

图5 系统软件设计流程图

6 系统参数测试与结论

6．1参数测试

在对系统的软硬件都调试完毕后，用示波器对正弦信号输出频率进行测试。设置预置频率，测试输出频率以及电压峰峰值。结果如表1所示。

表1 频率测量结果

由表1可知，系统能够实现高精度、稳定性好和控制灵活的正弦激励信号。

对该系统在不同频率下的输出波形进行测试，输出范围内0 Hz～15 kHz，峰-峰值稳定性能好。450 Ω的负载加载上1 kHz的交变电流时的端电压波形。如图6所示。

图6 负载电压波形

此电路的不足之处在于输出频率范围不宽。DDS的频率特性非常好，能输出0～40 MHz的高精度、稳定性好的标准正弦信号。然而，输出的信号在15 kHz以上发生失真，450 Ω的负载加载上20 kHz的交变电流时的端电压波形。如图7所示，这是由于调理电路的影响，因此可以通过改善调理电路来提高信号输出频率。

图7 负载失真电压波形

根据电流源的电阻测量原理，设计如图4所示的电流源电路，采用滑动变阻器分别对不同电阻值应用电压表法进行了实测，先给出测量结果并进行分析。按图4连接试验电路，R2B=250 Ω，用滑动变阻器作为被测电阻，接入负载出，在接通电源后，用数字电压表测量其两端的电压，结果如图8所示。

图8 恒流特性曲线

图8表明，负载阻值与电阻端电压能够较好地呈线性关系，但在475 Ω以后电流不呈线性关系，如图9所示为1 kHz恒流源电路加载500 Ω负载时端电压削峰现象。因此，恒流源的负载范围为0～475 Ω，其恒流值为16 mA，这与恒流源电路设计的恒流值完全相符。

图9 负载的端电压削峰波形

6．2结论

交变电流源采用DDS芯片AD9851与PIC18F85J90芯片在串行的方式下，通过按键或计算机超级终端快速方便地设置频率；并通过段式液晶屏输出频率。该系统具有精度高、稳定性好、控制灵活的优点，能较好地满足电感型传感器的实际需要。

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作者简介：王夏伟(1990-)，硕士，研究方向为光机电一体化。

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