王夏偉，谷玉海，徐小力，把 鑫

(北京信息科技大學(xué)，現(xiàn)代測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

1 系統(tǒng)原理及組成

設(shè)計(jì)了基于直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)的交變電流源，該系統(tǒng)由正弦波信號(hào)發(fā)生器，電壓放大電路和電壓控制恒流源3部分組成，其中波形發(fā)生器電路采用單片機(jī)控制DDS芯片AD9851得到正弦波，電壓放大電路是采用OP37芯片搭建的三級(jí)放大電路，電壓控制恒流源是Howland電流泵電路。交變恒流源的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交變恒流源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，單片機(jī)通過SPI總線可以將控制字寫入DDS芯片AD9851，使AD9851輸出設(shè)定頻率的兩路反相正弦信號(hào)。兩路信號(hào)再經(jīng)差分放大電路放大處理得到兩路正弦波信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)Howland電流泵電路進(jìn)行V-I變換，輸出交變電流源。

2 正弦波發(fā)生器設(shè)計(jì)

2．1AD9851

正弦波發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)產(chǎn)生頻率不同、幅值恒定的正弦電壓信號(hào)[1-2]，選用的DDS型號(hào)為AD9851。AD9851是采用先進(jìn)CMOS 技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度的直接數(shù)字頻率合成器；該器件是在AD9850的基礎(chǔ)上，做了一些改進(jìn)以后生成的具有新功能的DDS芯片。AD9851相對(duì)于AD9850的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是多了1個(gè)6倍參考時(shí)鐘倍乘器，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為180 MHz時(shí)，在參考時(shí)鐘輸入端，只需輸入30 MHz的參考時(shí)鐘即可。此外，AD9851還具有低功耗、接口簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)。

圖2是AD9851的基本原理框圖，AD9851是由32位相位累加器、正弦函數(shù)功能波形存儲(chǔ)器、D/A變換器以及低通濾波器集成到一起。每當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘脈沖出現(xiàn)時(shí)，相位累加器增加一個(gè)步長ΔPhase再與相位控制字相加，得到正弦查找表的地址。利用地址在波形存儲(chǔ)器中查找數(shù)字幅度信息，同時(shí)輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC中，輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波器(LPF)即可得到一個(gè)頻譜純凈的正弦波。因此輸出的正弦波頻率為：

fout=(ΔPhase×fclk)/232

(1)

式中：ΔPhase為頻率控制字的數(shù)值；fclk為系統(tǒng)輸入的參考時(shí)鐘頻率；fout為輸出的信號(hào)頻率。

圖2 正弦波發(fā)生電路原理圖

2．2DDS控制電路設(shè)計(jì)

使用集成LCD模塊的8位PIC單片機(jī)PIC18F85J90作為中央控制器。具有片上LCD模塊的PIC18F85J90的I/O口具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可以直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示，還可支持軟件編程對(duì)比度的控制器，降低系統(tǒng)成本。所以將PORTB口直接與LCD液晶顯示器MGLS-12864的8位數(shù)據(jù)口相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和指令發(fā)送。同時(shí)，利用PORTC口的RB0～RB4與液晶顯示器MGLS-12864的RS，RW，E，CSB，CSA引腳相連，控制數(shù)據(jù)交換的性質(zhì)和方向。

此外，由于AD9851的操作非常簡單，它擁有3線SPI接口和并行控制接口。因此，單片機(jī)選用PIC18F85J90芯片通過PORTA與芯片AD9851連接實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D芯片的并行控制；也通過RB5～RB7引腳對(duì)AD9851進(jìn)行串行控制。設(shè)計(jì)采用4×4鍵盤作為輸入設(shè)備，由單片機(jī)的PORTD口作為矩陣鍵盤的數(shù)據(jù)端口，通過定時(shí)器來掃描檢測(cè)鍵盤的按鍵情況。另外，為方便程序下載并且實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制功能，文中采用USB轉(zhuǎn)串口電路，既可以下載程序又可以通過USB接口與PC機(jī)通信，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制輸出設(shè)定頻率的正弦交變恒流源信號(hào)。

3 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

為了將小信號(hào)調(diào)理為可以適合驅(qū)動(dòng)V-I轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)，需要對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大處理，這里采用高輸入阻抗的差分放大器。信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 差分放大電路

該電路將波形發(fā)生器輸出的兩路250 mV的反相正弦信號(hào)差分連接到三級(jí)放大電路。因?yàn)殡娐分蠷13=R15，R17=R18=R20=R22，R23=R25=R24=R26，故三級(jí)差?？傇鲆鏋椋?/p>

(2)

通常，第一級(jí)增益盡量高，第二級(jí)增益一般為1～2倍，這里第一級(jí)選擇2倍，第二級(jí)為1倍。則取R17=R18=R20=R22=10 kΩ，第三級(jí)放大2倍，R23=R25=R24=R26=1 kΩ．要求電路的匹配性好，因此選用金屬膜精密電阻，阻值可選在10 kΩ和幾百kΩ間，則

(3)

先選定R14，通常在1～10 kΩ內(nèi)，這里取R14=2 kΩ，則可由上式求得R14=2R13=2 kΩ．通常R1和R2不應(yīng)超過R5/2，這里選R1=R2=510 Ω，用來保護(hù)運(yùn)放的輸入級(jí)。

OP37可提供與OP27一樣的高性能，而且前者的設(shè)計(jì)可以對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化。這一設(shè)計(jì)變更將壓擺率提高到17 V/μs，并將增益帶寬積提高到63 MHz．此外，OP37不僅具有OP07的低失調(diào)電壓和漂移特性，而且速度更高、噪聲更低。失調(diào)電壓低至25 μV，最大漂移為0.6 μV/℃，輸出級(jí)具有良好的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，因而該器件是精密儀器儀表應(yīng)用的理想之選。

4 交變恒流源電路設(shè)計(jì)

Howland電流泵原理電路如圖4所示。當(dāng)滿足平衡條件：

(4)

負(fù)載電流IO可表示為：

(5)

此時(shí)電流泵的輸出阻抗RO=∞，電壓柔量為：

|VL|≤|Vsat|-R2B(IO+I1)

(6)

該Howland電路中的運(yùn)放采用OPA548芯片，OPA548為低成本，高電壓，高電流的可驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載的理想預(yù)算放大器，OPA548既可以是單電源，也可以是雙電源。

圖4 Howland電路原理圖

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，由于AD9851芯片具有串行控制功能，而所使用的PIC18F85J90沒有SPI接口，故采用軟件模擬SPI操作的方法實(shí)現(xiàn)串行控制。

初始化后MCU通過定時(shí)器控制8位I/O引腳對(duì)鍵盤掃描，判斷是否有鍵按下，如果沒有則繼續(xù)掃描，如果有則進(jìn)行下一步處理；當(dāng)發(fā)現(xiàn)有輸入鍵按下，掃描是否有數(shù)字鍵按下；當(dāng)發(fā)現(xiàn)有確認(rèn)鍵按下，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。初始化MCU后MGLS-12864液晶屏開機(jī)顯示歡迎界面：第一行為welcome；第二行為set frequency。然后通過按下輸入鍵界面跳到輸入界面用于輸入信號(hào)的頻率，按下確定鍵將輸入頻率送給AD9851。此外，還可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)AD9851進(jìn)行控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

6 系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試與結(jié)論

6．1參數(shù)測(cè)試

在對(duì)系統(tǒng)的軟硬件都調(diào)試完畢后，用示波器對(duì)正弦信號(hào)輸出頻率進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置預(yù)置頻率，測(cè)試輸出頻率以及電壓峰峰值。結(jié)果如表1所示。

表1 頻率測(cè)量結(jié)果

由表1可知，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、穩(wěn)定性好和控制靈活的正弦激勵(lì)信號(hào)。

對(duì)該系統(tǒng)在不同頻率下的輸出波形進(jìn)行測(cè)試，輸出范圍內(nèi)0 Hz～15 kHz，峰-峰值穩(wěn)定性能好。450 Ω的負(fù)載加載上1 kHz的交變電流時(shí)的端電壓波形。如圖6所示。

圖6 負(fù)載電壓波形

此電路的不足之處在于輸出頻率范圍不寬。DDS的頻率特性非常好，能輸出0～40 MHz的高精度、穩(wěn)定性好的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)。然而，輸出的信號(hào)在15 kHz以上發(fā)生失真，450 Ω的負(fù)載加載上20 kHz的交變電流時(shí)的端電壓波形。如圖7所示，這是由于調(diào)理電路的影響，因此可以通過改善調(diào)理電路來提高信號(hào)輸出頻率。

圖7 負(fù)載失真電壓波形

根據(jù)電流源的電阻測(cè)量原理，設(shè)計(jì)如圖4所示的電流源電路，采用滑動(dòng)變阻器分別對(duì)不同電阻值應(yīng)用電壓表法進(jìn)行了實(shí)測(cè)，先給出測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行分析。按圖4連接試驗(yàn)電路，R2B=250 Ω，用滑動(dòng)變阻器作為被測(cè)電阻，接入負(fù)載出，在接通電源后，用數(shù)字電壓表測(cè)量其兩端的電壓，結(jié)果如圖8所示。

圖8 恒流特性曲線

圖8表明，負(fù)載阻值與電阻端電壓能夠較好地呈線性關(guān)系，但在475 Ω以后電流不呈線性關(guān)系，如圖9所示為1 kHz恒流源電路加載500 Ω負(fù)載時(shí)端電壓削峰現(xiàn)象。因此，恒流源的負(fù)載范圍為0～475 Ω，其恒流值為16 mA，這與恒流源電路設(shè)計(jì)的恒流值完全相符。

圖9 負(fù)載的端電壓削峰波形

6．2結(jié)論

交變電流源采用DDS芯片AD9851與PIC18F85J90芯片在串行的方式下，通過按鍵或計(jì)算機(jī)超級(jí)終端快速方便地設(shè)置頻率；并通過段式液晶屏輸出頻率。該系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、控制靈活的優(yōu)點(diǎn)，能較好地滿足電感型傳感器的實(shí)際需要。

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作者簡介：王夏偉(1990-)，碩士，研究方向?yàn)楣鈾C(jī)電一體化。

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