基于DDS的地震检波器测试仪信号源设计

李淑清 丁 勇 李 辉

(天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222)

基于DDS的地震检波器测试仪信号源设计

李淑清 丁 勇 李 辉

(天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222)

为了解决传统测试仪信号源产生的交流激励信号频率控制不便、输出离散点多时频率范围受限的问题，并实现检波器各项性能参数的检测，研制了新型的检波器测试仪信号源。通过对测试仪信号源进行具体的分析，给出了详细电路图。信号源是由MSP430单片机和直接频率合成器(DDS)芯片AD9833构成的，通过串行接口编程设定。与现有的测试仪信号源相比，该信号源转换时间快，频率稳定度良好；周期离散点多；每周期输出4 096个点时频率范围可达1～100 Hz以上；信号失真度可达到0.1%以下，能够满足检波器测试仪的激励信号要求。

检波器测试仪 直接频率合成器 信号源 MSP430单片机 串行接口 失真度

0 引言

地震检波器是用于地震勘探的传感器，它的质量直接影响到勘探结果的准确性。所以，在实际应用中要对检波器进行测试，剔除技术指标差和失效的地震检波器。因此，用于检测地震检波器各项性能参数的测试仪显得非常重要。

信号源电路是检波器测试仪的重要组成部分，激励信号的精度和稳定度对检波器性能参数的测量至关重要[1]。目前的测试仪信号源频率控制不方便，转换时间长，输出低失真度的信号时，成本很高。为了解决这些问题，急需设计一个精度高、稳定度好并且满足激励信号要求的信号源。本文重点介绍测试仪信号源的原理和电路设计。

1 检波器测试仪的原理

检波器测试仪原理说明如下。

① 在检波器线圈两端加上一恒定直流电压，通过测量流过地震检波器内部的电流，可以得到地震检波器的固有电阻和泄漏度。

② 在检波器线圈两端加上电压，则线圈在加上电压的瞬间受电动力效应的影响偏离原来的平衡位置并被抬起。通过开关使电流瞬间断开后，线圈将在原始的平衡位置做衰减振荡，根据电磁感应定律，会输出相应的电压波形。对这个电压波形进行分析，可获得检波器的阻尼系数、固有频率和灵敏度。

③ 给检波器线圈施加一个低失真、稳定的正弦波电压信号，测量输出的信号可以得到检波器的失真度[2]。

2 检波器测试仪的信号源

目前,产生检波器测试仪所需要的激励信号的方法有三种。一是采用专用设备,如信号发生器；二是采用分立元件构成非稳态的多谐振荡器振荡；三是直接采用DAC输出所需激励信号。信号发生器虽然信号精确，调制方便，但是采购费用高，并且体积庞大，搬动不便。而采用分立元件组成电路，不同频率范围值的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，且电路设计复杂、 操作不便。采用直接的DAC输出，需要事先将波形数据存储在外部存储器里，由于离散点数限制，其输出频率范围窄，转换时间长。

直接数字频率合成器(direct digital synthesizer，DDS)是目前广为应用的频率合成技术，它具有频率转换时间短、频率分辨率高、控制灵活方便的优点[3]。因此，自行研制的检波器测试仪采用直接频率合成技术构成它的信号源。该测试仪是一种便携式的设备。

3 信号源总体方案设计

本测试仪信号源主要采用TI的16位低功耗微控制器MSP430F2274和ADI公司的AD9833芯片。这是一款采用DDS技术、低功耗、可编程的波形发生器。器件采用MSOP封装，非常小巧，外围电路简单，通过SPI接口和单片机相连，编程可生成正弦波、三角波、方波。输出频率和相位都可通过软件编程，易于调节。当AD9833的主频时钟为25 MHz时，精度为0.1 Hz；

当主频时钟为1 MHz时，精度可以达到0.004 Hz。根据测试仪的要求，信号源必须能产生低失真度的频率与幅度均可调的信号波形。因此信号源电路主要有信号源控制电路、AD9833信号发生电路、信号处理电路[4]。总体设计框图如图1所示。

图1 总体方案设计框图Fig.1 Block diagram of overall scheme design

4 信号源的电路设计

信号源电路包括信号发生电路、直流滤除和放大电路、信号衰减电路、低通滤波电路和峰值检波电路，具体电路如图2所示。

图2 信号源电路原理图Fig.2 Schematic diagram of signal source circuitry

4.1 信号发生电路

正弦波通常用其幅度来表示：a(t)=sin(ωt)。不过，这类正弦波是非线性曲线，因此除非通过分段构建，否则不易生成。此外，角度信息在本质上是线性的。也就是说，每个单位时间内，相位角度会旋转固定角度。角速率取决于信号频率，即ω=2πf。

已知正弦波的相位是线性的，如果给定参考时间间隔，则可以确定该周期内的相位旋转情况。ΔP=ωΔt，ω=ΔP/Δt=2πf，求出f并用参考时钟频率替换参考周期(Δt=1/fM)，则有：

f=ΔP×fM/2π

(1)

AD9833根据式(1)来构建输出，它的核心就是28 位的相位累加器。累加器由加法器和相位寄存器组成。每来1个时钟，相位寄存器以步长增加1，相位寄存器的输出与相位控制字相加后输入到正弦查询表地址中。正弦查询表包含1个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0°～360°范围内的1个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，通过DAC输出模拟量。

AD9833具有两个相位寄存器，其分辨率均为2π/4 096。相位寄存器每经过(228/M)个主时钟后回到初始状态，相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置。这样就输出了一个正弦波。输出的正弦波频率为：

fOUT=M(fM/228)

(2)

式中:M为频率控制字，由外部编程给定，其范围为 0≤M≤228-1；fM为外部输入晶振频率。

AD9833无需外接元件，输出频率和相位都可通过软件编程,易于调节。频率寄存器是28位的，无需外界元件，仅需要1个外部参考时钟、1个低精度电阻器和1个解耦电容器，通过SPI总线对其进行控制[5]。

4.2 直流滤除和信号放大

由于AD9833输出的信号具有1V的直流偏置，需要滤除直流信号。滤波的方法有两种：一种是在后续加上减法电路，抵消偏置直流电压；一种是利用较大的隔直电容和运算放大器组成交流跟随电路。第一种方法电压控制不好，故不采用。第二种方法不仅可以滤除直流，而且还对电路做了一级跟随，增加了电路的可操作性和稳定性[6]，故采用第二种方法。

采用TI公司的仪用差动放大器INA128对滤除直流后的信号进行差动放大，既消除了共模干扰，也增大了信号幅度，为后面的信号处理做准备。由于需要输出的信号质量较高，本课题中采用的均是低功耗和低噪声芯片。

4.3 信号衰减器

TLC7524是TI公司的一款8位D/A转换器，利用它内部的R-2R电阻网路和模拟开关可以构成所需要的衰减器。

在基准电压输入不变的情况下，当输出的数字量为D时，从OUT1引脚流出的电流为

IOUT1=(UREF/R)×(D/2n)

(3)

式中:R为TLC7524的电阻网路1R的值;n为转换器的位数[6]。

所以，当模拟输入信号从基准电压输入端REF输入，RFB接运放输出端(使用芯片内的反馈电阻)时，信号衰减电路增益为G=D/256,是增益小于1的衰减器[7]。

4.4 二阶压控有源型低通滤波器(LPF)

信号在经过放大和衰减后，会产生一些高次谐波，为了消除其他频率的干扰信号，需要进行低通滤波。根据激励信号要求的范围(0～100 Hz)，设计了一种压控有源型二阶低通滤波器。

普通二阶低通滤波器如图3所示。

图3 普通二阶LPF和幅频响应曲线Fig.3 General second order LPF and amplitude frequency response curves

当f=0或频率很低时，各电容视为开路，通带内的增益为Avp=1+Rf/R1，普通二阶低通滤波器的传递函数为：

UO(s)=AvpU(+)(s)

(4)

U(+)(s)=UN(s)/(1+sCR)

(5)

(6)

通常有C1=C2=C，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数为:

(7)

二阶压控型低通有源滤波器中的一个电容器C1原来是接地的，现在改接到输出端。显然C1的改接不影响通带增益，二阶压控型LPF的传递函数为：

UO(s)=AvpU(+)(s)

(8)

(9)

N节点的电流方程：

(10)

联立求解以上三式，可得LPF的传递函数为:

(11)

式(11)表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。

由传递函数可以写出频率响应的表达式，即:

(12)

定义有源滤波器的品质因数Q值为f=f0时的电压放大倍数的模与通带增益之比，即：

(13)

(14)

以上两式表明，当21，在f=f0处的电压增益将大于Avp，幅频特性在f=f0处将抬高。

当Avp≥3时，Q=，有源滤波器自激。由于C1将接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激[8-9]。

一般来说，Q取0.7能获得较好的频谱响应。此外，电容不宜选取过大。选取0.1 μF的电容，则已知截止频率，根据公式可以很容易算得所用元件的参数。

4.5 峰值检测

采用LF398作为峰值采样/保持电路的核心。LF398是一种反馈性采样/保持放大器，它的第8个引脚为采样保持器的控制脚。输入高电平时，芯片工作在采样状态；输入低电平时，芯片工作在保持状态。由于回路阻抗很大，所以保持功能很强，电路的保持功能依靠C24对FILTERSIGOUT充电来实现，因而对电容的要求较高，一般选用有机薄膜介质电容。OPA2211构成比较器电路，将被测信号与保持信号ADIN进行比较。若FILTERSIGOUT>ADIN，则比较器输出高电平，开启LF398进入采样状态；若FILTERSIGOUT

4.6 单片机控制电路

控制电路主要是由TI公司的16位低功耗单片机MSP430F2274和它的外围电路组成。外围电路有复位电路、无源晶振电路和电源滤波等，如图4所示。

图4 单片机控制电路Fig.4 SCM control circuit

由于此单片机支持2线制JTAG在线仿真，故可以连接TI的LANCHPAD进行调试。通过SPI总线和并行总线，对AD9833和TLC7524组成的信号发生电路和衰减器进行控制。峰值检测电路中运放的负相输入端ADIN通过430单片机的A/D采集峰值，通过单片机算法调整衰减器的增益，达到控制信号输出幅值大小的目的。这是一种闭环控制[11]。

5 软件设计

首先，对MSP430F2274单片机进行初始化，配置时钟、A/D功能模块和控制AD9833的SPI总线;接着预置衰减器的增益和初始化AD9833;然后通过写控制字和写频率相位寄存器改变输出频率。通过A/D采样通路，改变衰减器增益，实现闭环控制。软件流程如图5所示。

图5 软件流程图Fig.5 The flowchart of software

6 结束语

研究设计的检波器信号源不仅可以达到传统测试仪信号源的精度要求，而且失真度小，结构简单，成本低；采用闭环控制，使输出信号幅度更加稳定。 产生的

直流信号电压为-5～5 V，稳定度为±0.1%；交流信号电压为-5～+5 V，稳定度为±0.1%；交流信号畸变小于±0.01%，频率调节范围为1～100 Hz。

DDS作为一种新型技术，相对带宽宽，频率转换时间短，频率分辨率高；控制灵活方便，体积小，电路简单，便于携带和安装。随着电子技术的发展，在校准和开发中对所用信号源要求的提高，DDS技术的应用会越来越普及。

[1] 罗福龙，夏颖.地震检波器检测技术探讨[J].石油物探，2013,52(6):617-619.

[2] 段疾病.基于串行通信的地震检波器综合测试系统的设计实现[D].青岛：中国海洋大学，2013.

[3] 莫红枝，甘井中.基于DDS技术的信号源设计[J].电脑知识与应用,2014,10(5):1098-1099.

[4] 韩彬,傅冰.基于Mega8单片机和AD9833的正弦波发生器[J].石油仪器，2007,21(6):70-72.

[5] 赵明芳.基于AD9850的低频信号发生器设计[J].仪器仪表学报,2010,31(4):1-2.

[6] 田茹,罗伟雄.基于DDS技术的短波信号源的研制[J].电子世界,2003(3):33-35.

[7] 郗艳华.程控增益放大器的实现[J].信息技术，2009,4(9):4-26.

[8] 牛燕炜.有源低通滤波器的设计与仿真分析[J].现代电子技术，2007,251(12):181-183.

[9] 康华光.电子技术基础—模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2008:152-200.

[10]高松松,王颖,刘云涛,等.CMOS峰值检测电路[J].微电子学与计算机,2011,28(9):73-75.

[11]沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008:200-230.

Design of the Signal Source for Geophone Tester Based on DDS

To solve the problems of traditional tester signal source, e.g., the frequency of the AC excitation signal is difficult to be controlled, and frequency range is limited for more output discrete points, and to implement detection of various performance parameters for geophone, the new type of geophone tester signal source is researched and developed. Through specific analysis of tester signal source, detail circuit diagram is given. The signal source is composed of MSP430 single chip machine and direct digital synthesizer (DDS) chip AD9833, and is programming setup through serial interface. Comparing with existing tester signal source, this signal source features fast conversion, stable frequency and more cycle discrete points, when 4 096 points output in one cycle, the frequency range is up to 1～100 Hz; the signal distortion is less than 0.1%; it can satisfy the requirement of excitation signal for geophone tester.

Geophone tester Direct digital synthesizer(DDS) Signal source MSP430 SCM Serial interface Degree of distortion

李淑清(1960-)，女，2009年毕业于天津大学仪器科学与技术专业，获博士学位，教授；主要从事检测技术与系统的研究。

TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506023

修改稿收到日期：2014-08-13。