电磁成像系统正弦信号发生器的设计

于长敏　申海

摘  要：磁感应断层成像（Magnetic Induction Tomography， MIT）是一种非接触式测量电导率的成像技术，在MIT技术中，纯净稳定的信号是后续工作顺利进行的前提。文章采用DDS技术设计实现的信号发生器，通过AD9851和STC89C51单片机控制，输出正弦波。由于输出的正弦信号有杂波且输出波形有所衰减，文章还设计了低通滤波模块和信号调理放大模块，通过对预期信号与实际信号的对比，发现设计的信号发生器能够满足实验预期，为后续的实验提供良好的信号输出。

关键词：DDS技术;信号发生器;芯片AD9851;单片机STC89C51;低通滤波

中图分类号：TM935;TN741   文献标识码：A   文章编号：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

在自动化系统及许多需要高精度电子测量技术中，一个高精度的函数信号发生器是至关重要的。而直接数字合成器（DDS）是一种很重要的数字化技术，它是一门新型的高频合成技术，集高速的频率转换时间、极高频率分辨率和理想的信噪比于一身。与一般频率综合器件完全不同，它具备了成本低、功率低、分辨率高、可在极短距离内高速切换等优势。在短短的二十几年的发展，基于理论层面的不断完善与集成工艺的愈发精湛，DDS已实现商品化生产模式。全球各大知名公司为此投入大量心血与精力，对DDS产品不断完善、创新。随着一些超高速器件的出现，DDS逐渐克服了其输出带宽的局限性。但是由于其本身的杂散特性无法避免，成为制约DDS发展的主要因素。

本论文采用基于DDS技术的AD9851芯片设计输出低频正弦信号源。首先介绍直接数字合成（DDS）技术以及其关键结構;其次基于AD9851以及STC8951单片机进行信号源的设计，并介绍本论文设计的控制模块、滤波模块以及放大模块，对所设计的硬件电路结合软件进行测试，并将实际输出信号与预想信号做对比讨论;最后对本论文目前的研究设计进行总结。

1  直接数字合成（DDS）技术

1.1  直接数字合成技术的概念

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概念提出十几年期间，微电子技术高速发展，DDS技术（Direct Digital Frequency Synthesis）也迎来了它的时代，相较于其他频率合成方法，DDS的优越性更加突出并被大众所接受，为频率合成技术开启了一扇崭新的大门[1]。DDS是一种新的频率合成技术，它具有高频率的分辨率和理想的相位噪声。DDS在进行调频时，可以使相位输出连续，所以频率、相位、幅相的调制就变得非常容易。大多数利用数字电路技术实现DDS技术，因此方便逻辑编程控制的优点最突出。此外DDS还具有可产生任意波形、反应时间短、分辨率高、便于集成等特点[2]。

但这并不意味着DDS技术没有缺点，它的局限性主要表现在有限的输出频带范围和不可避免的引入杂散[3]。

1.2  直接数字频率合成技术关键结构

直接数字频率合成（DDS）技术源于sin（x）函数的规律，从相位出发，直接对基准信号进行采样，得到与时间相对应的采样信号，将得到的信号通过sin（x）函数公式进行转换，得到与sin（x）函数对应的离散信号，进行采样信号向离散信号的转变，最后经A/D转换器及滤波后输出光滑的频率稳定的模拟正弦信号。DDS主要包括以下几个模块，分别是：相位累加器、 ROM存储器、数模（D/A）转换器以及低通滤波器。图1显示了它的基本结构。

由式（1）和式（2）可得出，加法器位数、寄存器位数和fclk为固定值时，输出频率仅由FW决定，且成正比例函数关系。故当改变FW时，信号输出频率也作出相应的改变，由此达到理想的调频功能。

DDS技术的核心是相位累加器。主要是由N位累加器与N位的寄存器组成，如图2所示。

其工作原理如下：DDS模块在脉冲信号的作用下进行运作，当每有一个脉冲信号到达，累加器就把频率控制字FW和寄存器输出的信號相加，将相加后的值继续输入到寄存器中，同时寄存器也将上一次脉冲信号到达所产生的值重新传送给累加器，如此不断地进行输出与重传，这个过程构成了一个反馈环节，可以减小输出信号与给定信号的误差，使系统趋于稳定。使得效果更好。因此，随着脉冲信号的不断输入，不断地进行累积FW。与此同时，通过搜索FW对应于该地址的幅度表，在ROM内存中使用从相位累加器输出的数据作为地址，完成从相位向幅度转换[4]。

在脉冲信号的影响下，相位累加器随时间的流逝进行相位的累加，当DDS信号每实现一个循环周期时，累加器就进行一次频率的叠加。由此可以得出这样的结论：相位累加器的速度直接影响系统速度的快慢。

经过相位累加器的一系列操作后的最终信号作为ROM存储器的地址，通过波形存储器把信号相位信息转化为数字振幅信息，此时输出的数字振幅信息作为 A/D转换器的输入[5]。图3显示了波形存储过程。

D/A转换器将 ROM存储器输出的数字量信号转换成所要求的模拟量信号，但其分辨率不是很高，所以得到的模拟量呈阶梯状。为使输出波形排除其它干扰信号，必须通过低通滤波器进行滤波处理[6]。

但目前为止，DDS工作速度主要受D/A转换器影响，D/A转换器字宽也影响了它的分辨率和无用信号的噪声分量，可通过扩增D/A的位数消除波形中无用信号的干扰。

2  基于AD9851实用信号源设计

2.1  硬件设计性能指标

对于给定10 Hz的信号，AD9851信号源可以输出小于40 MHz的信号，且用示波器查看输出波形不失真无杂波，波形平缓稳定，波形大小适中。

2.2  信号源设计

图4显示了STC89C51和AD9851之间并行连接控制的接口情况。可以直观地看出，STC89C51的P1.0～P1.7用作AD9851的数据输入端口，P3.4～P3.6用作数据传输端口，用于控制AD9851的相应三个引脚，经过滤波放大后得到完整的波形信号[7]。

图5为基于DDS技术的AD9851信号源设计图。原理图可分为3个模块：STC89C51控制模块，滤波模块和放大模块。单片微机先复位，初始化AD9851，输出预设频率，经滤波放大后输出。

2.2.1  STC89C51控制模块

单片机与AD9851采用并行方式连接，此部分为整个信号发生器的控制核心，可以发挥单片机的高速运转能力来快速驱动各功能模块。具体控制连线图如图6所示。

AD9851的D0～D7引脚连接到STC89C51微控制器的P1.0～P1.7引脚，AD9851的频率更新控制信号FQ_UD与STC89C51的P3.7引脚相连，W_CLK端与P3.6引脚相连。每一次写控制数据时，8位总线D[0，7]可以过顺序完成数据输入，40位数据分5次完成。当给定外部参考时钟频率，根据DDS的工作原理，可以得出由控制字产生的频率分辨率，由此可以判断能否实现频率步进。

2.2.2  滤波模块

实际电路中，增加信号频率，可使输出电压幅值减小，对输出信号进行放大是极为必要的，它可以清晰地显示在示波器上，示波器显示的放大输出信号包含杂波或直流分量信号，使输出波形不光滑，因此，在放大示波器前，还要进行信号滤波，消除干扰信号。基于以上特点采用椭圆滤波电路，此滤波电路没有规定具体所需的元器件，因此本论文采用电感和电容相结合的设计方法进行滤波器的设计，可随意添加或者减少元器件，具有灵活方便的特点。具体连线图如图7所示[8]。

2.2.3  放大模块

DDS的输出信号在无外接负载的条件下输出电压电压较为稳定，但是当接入外部负载时，输出信号有所衰减，并且在高频信号的时候表现的极为明显，根据设计指标要求，要求电路需要带有一定的负载驱动能力，即要求DDS输出信号的电流达到一定的范围[9]。根据以上情况，本实验设计了如图8所示的电路解决问题。

本论文采用芯片AD0865作为放大电路的核心，采用此款芯片设计的电路的+IN引脚连接电阻接地，且+IN端连接的电阻必须与-IN端连接电阻的阻值相同，构成差分运放。通过上述接线方式输出的正弦波波形呈此起彼伏的输出，而不是单一不变的。

2.3  软件程序设计

软件编程主要基于AD9851控制字模式，控制AD9851芯片的输出信号，由MCU将40位控制字输出到AD9851并控制输出频率。

图9为设计的程序流程图，STC89C51在系统供电后进行初始化，AD9851也进行初始化，STC89C51对AD9851进行控制，而后在示波器上显示输出波形。

以下为AD9851的实用程序：

{对AD9851进行复位;}

这个函数被下面发送控制字函数调用：

{ 向AD9851输入上升沿有效的信号，依次进行存储;}

单片机向AD9851发送控制字程序：

{利用一定的频率进行依次输出}

3  信号源测试

通过硬件设计和软件程序的编写，已基本完成信号发生器的设计，现进行功能调试，观察程序是否正确以及电路是否正常。图10为本论文实验所预期的波形示意图;图11为本论文所设计的信号发生器的输出波形示意图。

通过两张波形示意图的对比可以清晰的看出，本论文所设计的信号发生器能够得到稳定纯净的信号波形，与预期想法一致，实验结果正确。

4  结  论

本论文基于DDS技术的AD9851信号源的设計方法。STC89C51为控制单片机，AD9851为设计的核心，二者采用并行连接的方式实现电路的设计，经滤波放大后能够输出较为完整平滑的正弦波，具有信号频率好，准确度高，分辨率高的特点。

通过本论文设计的信号源，基本完成了一个函数信号发生器的设计，实现了电磁成像的第一步。本论文完成的工作包括硬件的设计、输出信号滤波和放大。从实验结果来看，本论文设计的函数信号发生器较为稳定，能够为进一步的电磁成像打下基础。

本文主要完成以下工作：

（1）设计了基于DDS技术的输出正弦波信号的信号源。采用DDS技术是本文的一大亮点，不同于传统的信号发生器，此信号源分辨率高，输出相位噪声低，灵活方便。

（2）设计了信号的滤波电路。采用椭圆滤波电路，滤除杂波和直流信号的能力更强，且在误差范围内的电容值和电感值均可完成实验。

（3）将设计了信号的放大电路。采用该放大电路可以更好的实现信号的放大，且放大器件成本低廉，工作温度与整体电路工作温度一致，减少外部条件影响，避免误差。

参考文献：

[1] 袁园，孙敏远，毕勇，等.Controlling the light wavefront through a scattering medium based on direct digital frequency synthesis technology [J].Chinese Physics B，2021，30（1）：332-336.

[2] 常乐.基于DDS的低频信号发生器的设计研究 [J].电子测试，2019（24）：10-11.

[3] 吴智浩.基于单片机平台与AD9851的高频信号发生器的设计 [J].电子技术与软件工程，2021（14）：67-69.

[4] 侯永春.基于DDS技术的超低频信号源设计 [J].宝鸡文理学院学报（自然科学版），2019，39（4）：77-80.

[5] 郭辉.基于51单片机的简易函数信号发生器的设计与分析 [J].电子测试，2016（23）：1-3.

[6] 何晓兴.基于单片机的正弦信号发生器 [J].电子制作，2015（4）：2-4.

[7] 王学凤，陈培，韩潮，等.基于DDS芯片AD9851的信号源设计与实现 [J].微计算机信息，2008（22）：111-112+218.

[8] 魏瑞增，范亚洲，周恩泽，等.基于椭圆滤波器的气象雷达差频信号滤波电路可靠性研究 [J].环境技术，2019，37（6）：163-168.

[9] 任英杰，黄建清，郭凯，等.基于STC89C51单片机的简单函数信号发生器设计 [J].电子设计工程，2018，26（14）：91-94+106.

作者简介：于长敏（1997.03—），女，汉族，黑龙江安达人，硕士在读，研究方向：光电智能控制;通讯作者：申海（1976.10—），女，汉族，山东日照人，教授，博士，研究方向：控制科学与工程。