李淑清 丁 勇 李 輝

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

基于DDS的地震檢波器測(cè)試儀信號(hào)源設(shè)計(jì)

李淑清 丁 勇 李 輝

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

為了解決傳統(tǒng)測(cè)試儀信號(hào)源產(chǎn)生的交流激勵(lì)信號(hào)頻率控制不便、輸出離散點(diǎn)多時(shí)頻率范圍受限的問題，并實(shí)現(xiàn)檢波器各項(xiàng)性能參數(shù)的檢測(cè)，研制了新型的檢波器測(cè)試儀信號(hào)源。通過對(duì)測(cè)試儀信號(hào)源進(jìn)行具體的分析，給出了詳細(xì)電路圖。信號(hào)源是由MSP430單片機(jī)和直接頻率合成器(DDS)芯片AD9833構(gòu)成的，通過串行接口編程設(shè)定。與現(xiàn)有的測(cè)試儀信號(hào)源相比，該信號(hào)源轉(zhuǎn)換時(shí)間快，頻率穩(wěn)定度良好；周期離散點(diǎn)多；每周期輸出4 096個(gè)點(diǎn)時(shí)頻率范圍可達(dá)1～100 Hz以上；信號(hào)失真度可達(dá)到0.1%以下，能夠滿足檢波器測(cè)試儀的激勵(lì)信號(hào)要求。

檢波器測(cè)試儀 直接頻率合成器 信號(hào)源 MSP430單片機(jī) 串行接口 失真度

0 引言

地震檢波器是用于地震勘探的傳感器，它的質(zhì)量直接影響到勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以，在實(shí)際應(yīng)用中要對(duì)檢波器進(jìn)行測(cè)試，剔除技術(shù)指標(biāo)差和失效的地震檢波器。因此，用于檢測(cè)地震檢波器各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)試儀顯得非常重要。

信號(hào)源電路是檢波器測(cè)試儀的重要組成部分，激勵(lì)信號(hào)的精度和穩(wěn)定度對(duì)檢波器性能參數(shù)的測(cè)量至關(guān)重要[1]。目前的測(cè)試儀信號(hào)源頻率控制不方便，轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，輸出低失真度的信號(hào)時(shí)，成本很高。為了解決這些問題，急需設(shè)計(jì)一個(gè)精度高、穩(wěn)定度好并且滿足激勵(lì)信號(hào)要求的信號(hào)源。本文重點(diǎn)介紹測(cè)試儀信號(hào)源的原理和電路設(shè)計(jì)。

1 檢波器測(cè)試儀的原理

檢波器測(cè)試儀原理說明如下。

① 在檢波器線圈兩端加上一恒定直流電壓，通過測(cè)量流過地震檢波器內(nèi)部的電流，可以得到地震檢波器的固有電阻和泄漏度。

② 在檢波器線圈兩端加上電壓，則線圈在加上電壓的瞬間受電動(dòng)力效應(yīng)的影響偏離原來的平衡位置并被抬起。通過開關(guān)使電流瞬間斷開后，線圈將在原始的平衡位置做衰減振蕩，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，會(huì)輸出相應(yīng)的電壓波形。對(duì)這個(gè)電壓波形進(jìn)行分析，可獲得檢波器的阻尼系數(shù)、固有頻率和靈敏度。

③ 給檢波器線圈施加一個(gè)低失真、穩(wěn)定的正弦波電壓信號(hào)，測(cè)量輸出的信號(hào)可以得到檢波器的失真度[2]。

2 檢波器測(cè)試儀的信號(hào)源

目前,產(chǎn)生檢波器測(cè)試儀所需要的激勵(lì)信號(hào)的方法有三種。一是采用專用設(shè)備,如信號(hào)發(fā)生器；二是采用分立元件構(gòu)成非穩(wěn)態(tài)的多諧振蕩器振蕩；三是直接采用DAC輸出所需激勵(lì)信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器雖然信號(hào)精確，調(diào)制方便，但是采購費(fèi)用高，并且體積龐大，搬動(dòng)不便。而采用分立元件組成電路，不同頻率范圍值的測(cè)量往往需要通過硬件電路的切換來實(shí)現(xiàn)，且電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、 操作不便。采用直接的DAC輸出，需要事先將波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器里，由于離散點(diǎn)數(shù)限制，其輸出頻率范圍窄，轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。

直接數(shù)字頻率合成器(direct digital synthesizer，DDS)是目前廣為應(yīng)用的頻率合成技術(shù)，它具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、控制靈活方便的優(yōu)點(diǎn)[3]。因此，自行研制的檢波器測(cè)試儀采用直接頻率合成技術(shù)構(gòu)成它的信號(hào)源。該測(cè)試儀是一種便攜式的設(shè)備。

3 信號(hào)源總體方案設(shè)計(jì)

本測(cè)試儀信號(hào)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。這是一款采用DDS技術(shù)、低功耗、可編程的波形發(fā)生器。器件采用MSOP封裝，非常小巧，外圍電路簡(jiǎn)單，通過SPI接口和單片機(jī)相連，編程可生成正弦波、三角波、方波。輸出頻率和相位都可通過軟件編程，易于調(diào)節(jié)。當(dāng)AD9833的主頻時(shí)鐘為25 MHz時(shí)，精度為0.1 Hz；

當(dāng)主頻時(shí)鐘為1 MHz時(shí)，精度可以達(dá)到0.004 Hz。根據(jù)測(cè)試儀的要求，信號(hào)源必須能產(chǎn)生低失真度的頻率與幅度均可調(diào)的信號(hào)波形。因此信號(hào)源電路主要有信號(hào)源控制電路、AD9833信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)處理電路[4]?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of overall scheme design

4 信號(hào)源的電路設(shè)計(jì)

信號(hào)源電路包括信號(hào)發(fā)生電路、直流濾除和放大電路、信號(hào)衰減電路、低通濾波電路和峰值檢波電路，具體電路如圖2所示。

圖2 信號(hào)源電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of signal source circuitry

4.1 信號(hào)發(fā)生電路

正弦波通常用其幅度來表示：a(t)=sin(ωt)。不過，這類正弦波是非線性曲線，因此除非通過分段構(gòu)建，否則不易生成。此外，角度信息在本質(zhì)上是線性的。也就是說，每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，相位角度會(huì)旋轉(zhuǎn)固定角度。角速率取決于信號(hào)頻率，即ω=2πf。

已知正弦波的相位是線性的，如果給定參考時(shí)間間隔，則可以確定該周期內(nèi)的相位旋轉(zhuǎn)情況。ΔP=ωΔt，ω=ΔP/Δt=2πf，求出f并用參考時(shí)鐘頻率替換參考周期(Δt=1/fM)，則有：

f=ΔP×fM/2π

(1)

AD9833根據(jù)式(1)來構(gòu)建輸出，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組成。每來1個(gè)時(shí)鐘，相位寄存器以步長(zhǎng)增加1，相位寄存器的輸出與相位控制字相加后輸入到正弦查詢表地址中。正弦查詢表包含1個(gè)周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0°～360°范圍內(nèi)的1個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度的數(shù)字量信號(hào)，通過DAC輸出模擬量。

AD9833具有兩個(gè)相位寄存器，其分辨率均為2π/4 096。相位寄存器每經(jīng)過(228/M)個(gè)主時(shí)鐘后回到初始狀態(tài)，相應(yīng)地正弦查詢表經(jīng)過一個(gè)循環(huán)回到初始位置。這樣就輸出了一個(gè)正弦波。輸出的正弦波頻率為：

fOUT=M(fM/228)

(2)

式中:M為頻率控制字，由外部編程給定，其范圍為 0≤M≤228-1；fM為外部輸入晶振頻率。

AD9833無需外接元件，輸出頻率和相位都可通過軟件編程,易于調(diào)節(jié)。頻率寄存器是28位的，無需外界元件，僅需要1個(gè)外部參考時(shí)鐘、1個(gè)低精度電阻器和1個(gè)解耦電容器，通過SPI總線對(duì)其進(jìn)行控制[5]。

4.2 直流濾除和信號(hào)放大

由于AD9833輸出的信號(hào)具有1V的直流偏置，需要濾除直流信號(hào)。濾波的方法有兩種：一種是在后續(xù)加上減法電路，抵消偏置直流電壓；一種是利用較大的隔直電容和運(yùn)算放大器組成交流跟隨電路。第一種方法電壓控制不好，故不采用。第二種方法不僅可以濾除直流，而且還對(duì)電路做了一級(jí)跟隨，增加了電路的可操作性和穩(wěn)定性[6]，故采用第二種方法。

采用TI公司的儀用差動(dòng)放大器INA128對(duì)濾除直流后的信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大，既消除了共模干擾，也增大了信號(hào)幅度，為后面的信號(hào)處理做準(zhǔn)備。由于需要輸出的信號(hào)質(zhì)量較高，本課題中采用的均是低功耗和低噪聲芯片。

4.3 信號(hào)衰減器

TLC7524是TI公司的一款8位D/A轉(zhuǎn)換器，利用它內(nèi)部的R-2R電阻網(wǎng)路和模擬開關(guān)可以構(gòu)成所需要的衰減器。

在基準(zhǔn)電壓輸入不變的情況下，當(dāng)輸出的數(shù)字量為D時(shí)，從OUT1引腳流出的電流為

IOUT1=(UREF/R)×(D/2n)

(3)

式中:R為TLC7524的電阻網(wǎng)路1R的值;n為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)[6]。

所以，當(dāng)模擬輸入信號(hào)從基準(zhǔn)電壓輸入端REF輸入，RFB接運(yùn)放輸出端(使用芯片內(nèi)的反饋電阻)時(shí)，信號(hào)衰減電路增益為G=D/256,是增益小于1的衰減器[7]。

4.4 二階壓控有源型低通濾波器(LPF)

信號(hào)在經(jīng)過放大和衰減后，會(huì)產(chǎn)生一些高次諧波，為了消除其他頻率的干擾信號(hào)，需要進(jìn)行低通濾波。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)要求的范圍(0～100 Hz)，設(shè)計(jì)了一種壓控有源型二階低通濾波器。

普通二階低通濾波器如圖3所示。

圖3 普通二階LPF和幅頻響應(yīng)曲線Fig.3 General second order LPF and amplitude frequency response curves

當(dāng)f=0或頻率很低時(shí)，各電容視為開路，通帶內(nèi)的增益為Avp=1+Rf/R1，普通二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

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

(4)

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

(5)

(6)

通常有C1=C2=C，聯(lián)立求解以上三式，可得濾波器的傳遞函數(shù)為:

(7)

二階壓控型低通有源濾波器中的一個(gè)電容器C1原來是接地的，現(xiàn)在改接到輸出端。顯然C1的改接不影響通帶增益，二階壓控型LPF的傳遞函數(shù)為：

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

(8)

(9)

N節(jié)點(diǎn)的電流方程：

(10)

聯(lián)立求解以上三式，可得LPF的傳遞函數(shù)為:

(11)

式(11)表明，該濾波器的通帶增益應(yīng)小于3，才能保障電路穩(wěn)定工作。

由傳遞函數(shù)可以寫出頻率響應(yīng)的表達(dá)式，即:

(12)

定義有源濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q值為f=f0時(shí)的電壓放大倍數(shù)的模與通帶增益之比，即：

(13)

(14)

以上兩式表明，當(dāng)21，在f=f0處的電壓增益將大于Avp，幅頻特性在f=f0處將抬高。

當(dāng)Avp≥3時(shí)，Q=，有源濾波器自激。由于C1將接到輸出端，等于在高頻端給LPF加了一點(diǎn)正反饋，所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激[8-9]。

一般來說，Q取0.7能獲得較好的頻譜響應(yīng)。此外，電容不宜選取過大。選取0.1 μF的電容，則已知截止頻率，根據(jù)公式可以很容易算得所用元件的參數(shù)。

4.5 峰值檢測(cè)

采用LF398作為峰值采樣/保持電路的核心。LF398是一種反饋性采樣/保持放大器，它的第8個(gè)引腳為采樣保持器的控制腳。輸入高電平時(shí)，芯片工作在采樣狀態(tài)；輸入低電平時(shí)，芯片工作在保持狀態(tài)。由于回路阻抗很大，所以保持功能很強(qiáng)，電路的保持功能依靠C24對(duì)FILTERSIGOUT充電來實(shí)現(xiàn)，因而對(duì)電容的要求較高，一般選用有機(jī)薄膜介質(zhì)電容。OPA2211構(gòu)成比較器電路，將被測(cè)信號(hào)與保持信號(hào)ADIN進(jìn)行比較。若FILTERSIGOUT>ADIN，則比較器輸出高電平，開啟LF398進(jìn)入采樣狀態(tài)；若FILTERSIGOUT

4.6 單片機(jī)控制電路

控制電路主要是由TI公司的16位低功耗單片機(jī)MSP430F2274和它的外圍電路組成。外圍電路有復(fù)位電路、無源晶振電路和電源濾波等，如圖4所示。

圖4 單片機(jī)控制電路Fig.4 SCM control circuit

由于此單片機(jī)支持2線制JTAG在線仿真，故可以連接TI的LANCHPAD進(jìn)行調(diào)試。通過SPI總線和并行總線，對(duì)AD9833和TLC7524組成的信號(hào)發(fā)生電路和衰減器進(jìn)行控制。峰值檢測(cè)電路中運(yùn)放的負(fù)相輸入端ADIN通過430單片機(jī)的A/D采集峰值，通過單片機(jī)算法調(diào)整衰減器的增益，達(dá)到控制信號(hào)輸出幅值大小的目的。這是一種閉環(huán)控制[11]。

5 軟件設(shè)計(jì)

首先，對(duì)MSP430F2274單片機(jī)進(jìn)行初始化，配置時(shí)鐘、A/D功能模塊和控制AD9833的SPI總線;接著預(yù)置衰減器的增益和初始化AD9833;然后通過寫控制字和寫頻率相位寄存器改變輸出頻率。通過A/D采樣通路，改變衰減器增益，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 The flowchart of software

6 結(jié)束語

研究設(shè)計(jì)的檢波器信號(hào)源不僅可以達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)試儀信號(hào)源的精度要求，而且失真度小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；采用閉環(huán)控制，使輸出信號(hào)幅度更加穩(wěn)定。 產(chǎn)生的

直流信號(hào)電壓為-5～5 V，穩(wěn)定度為±0.1%；交流信號(hào)電壓為-5～+5 V，穩(wěn)定度為±0.1%；交流信號(hào)畸變小于±0.01%，頻率調(diào)節(jié)范圍為1～100 Hz。

DDS作為一種新型技術(shù)，相對(duì)帶寬寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率高；控制靈活方便，體積小，電路簡(jiǎn)單，便于攜帶和安裝。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在校準(zhǔn)和開發(fā)中對(duì)所用信號(hào)源要求的提高，DDS技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來越普及。

[1] 羅福龍，夏穎.地震檢波器檢測(cè)技術(shù)探討[J].石油物探，2013,52(6):617-619.

[2] 段疾病.基于串行通信的地震檢波器綜合測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2013.

[3] 莫紅枝，甘井中.基于DDS技術(shù)的信號(hào)源設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與應(yīng)用,2014,10(5):1098-1099.

[4] 韓彬,傅冰.基于Mega8單片機(jī)和AD9833的正弦波發(fā)生器[J].石油儀器，2007,21(6):70-72.

[5] 趙明芳.基于AD9850的低頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2010,31(4):1-2.

[6] 田茹,羅偉雄.基于DDS技術(shù)的短波信號(hào)源的研制[J].電子世界,2003(3):33-35.

[7] 郗艷華.程控增益放大器的實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2009,4(9):4-26.

[8] 牛燕煒.有源低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007,251(12):181-183.

[9] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)—模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2008:152-200.

[10]高松松,王穎,劉云濤,等.CMOS峰值檢測(cè)電路[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2011,28(9):73-75.

[11]沈建華,楊艷琴,翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)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年畢業(yè)于天津大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)的研究。

TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506023

修改稿收到日期：2014-08-13。