沈凱 周金亮

摘 要：目的 設(shè)計(jì)能夠滿足過套管電阻率測(cè)井需要的具有高穩(wěn)定度、超低頻率等特點(diǎn)的正弦信號(hào)源。方法 采用direct digital synthesis（DDS）技術(shù)結(jié)合單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)該信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案。結(jié)果與結(jié)論 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)源的控制模塊、DDS模塊、接口電路等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，信號(hào)源輸出頻率在0～10Hz之間，頻率穩(wěn)定度為0.008 7%，滿足過套管電阻率測(cè)井的要求。

關(guān)鍵詞：信號(hào)源;高穩(wěn)定度;超低頻;輸出頻率

1.DDS技術(shù)概述

作為最主要的數(shù)字化技術(shù)，DDS具有諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)比傳統(tǒng)的頻率合成器，DDS技術(shù)其功耗比較低，花費(fèi)的成本也低，并且轉(zhuǎn)換的頻率快，分辨率較高，對(duì)于設(shè)備數(shù)字化的發(fā)展至關(guān)重要。一般情況下，DDS技術(shù)可以通過以下幾種方法來產(chǎn)生信號(hào)：（1）一般來說，可利用IC-函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生信號(hào)，但是這種方式產(chǎn)生電信號(hào)具有功能不全、可利用性低，并且其精度低，不能滿足高頻率信號(hào)要求等弊端。（2）利用單片機(jī)集成芯片的函數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)：例如MAX038，其優(yōu)勢(shì)是可以產(chǎn)生高頻率的信號(hào)，并且能夠制造不同的波形.但MAX038需要通過模擬信號(hào)來對(duì)輸出頻率進(jìn)行控制，不但要將處理器輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，還需要控制轉(zhuǎn)換出的信號(hào)，由于步驟增多，降低了頻率的精度，使得電路更加復(fù)雜。相對(duì)于上述幾種實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的方法，DDS技術(shù)作為新型頻率合成技術(shù)，可以直接合成DDS芯片，使用便捷，可節(jié)省資源。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理

本文以的單片機(jī)的DDS芯片為AD9833，匹配相對(duì)參數(shù)，輸入相關(guān)的數(shù)值，得到幅值、波形以及頻率的信號(hào)的變化情況。如圖1所示，鑒于矩形鍵盤有利于信號(hào)頻率、幅值以及波形參數(shù)的輸入，所以輸入鍵盤采用4*4的矩形鍵盤。一般情況下，輸出波形的過程中會(huì)有干擾出現(xiàn)，應(yīng)采取措施避免干擾，文中采取限幅濾波法進(jìn)行濾波。AD9833的波形幅值為0.65V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際應(yīng)用中所需的幅值，不能滿足需求，應(yīng)將過濾之后的波幅值放大。除此之外，因?yàn)锳D9833的波形頻率能達(dá)到12.5Hz，應(yīng)結(jié)合帶寬來選擇放大器，確保滿足要求。

3.超低頻信號(hào)源設(shè)計(jì)

超低頻信號(hào)源主要由單片機(jī)控制模塊、DDS模塊、調(diào)理模塊、顯示模塊、輸入模塊、PC模塊組成。單片機(jī)控制模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)控制命令的發(fā)送和輸出電流電壓的檢測(cè);DDS模塊接收單片機(jī)的命令并合成超低頻信號(hào);調(diào)理模塊對(duì)DDS產(chǎn)生的正弦信號(hào)進(jìn)行處理;輸入模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生信號(hào)的頻率、電壓幅值的手動(dòng)輸入;顯示模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)波形、輸出電流電壓大小、頻率的顯示;PC模塊可以控制單片機(jī)實(shí)時(shí)改變信號(hào)源參數(shù)。

本文選用TI公司的MSP430F169單片機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。DDS芯片選用AD公司的AD9834。通過鍵盤輸入信號(hào)的頻率值，經(jīng)單片機(jī)處理后轉(zhuǎn)換為DDS的頻率控制字發(fā)送至DDS模塊，DDS將合成的頻率發(fā)送到調(diào)理模塊進(jìn)行處理，最終得到所需頻率的正弦信號(hào)。

3.1DDS模塊設(shè)計(jì)DDS模塊主要由DDS芯片、差分電路、濾波電路和放大電路構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)命令的接收、信號(hào)的生成、噪聲的濾除、輸出信號(hào)的放大等功能。DDS模塊主要接收單片機(jī)發(fā)送的控制命令，根據(jù)命令生成符合頻率要求的正弦信號(hào)。差分電路主要有2個(gè)作用，一個(gè)是將雙端輸出轉(zhuǎn)換成單端輸出，一個(gè)是消除輸出信號(hào)的直流部分。濾波電路采用二階巴特沃斯有源低通濾波器來濾除輸出信號(hào)的高頻成分。DDS模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

3.2接口電路MSP430F169單片機(jī)和DDS芯片AD9834具有完全兼容的SPI接口，因此采用SPI總線接口方式實(shí)現(xiàn)二者的連接。單片機(jī)向AD9834發(fā)送數(shù)據(jù)而不接收數(shù)據(jù)，故將單片機(jī)的SPI設(shè)置為主機(jī)模式;而AD9834的SPI接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)而不向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，故將它設(shè)置為從機(jī)模式。單片機(jī)與AD9834硬件接口電路如圖3所示。

4.連接原理框圖

4.1DDS程序設(shè)計(jì)DDS程序設(shè)計(jì)主要由DDS初始化、數(shù)據(jù)寫入和數(shù)據(jù)源選擇3部分組成。DDS初始化程序主要實(shí)現(xiàn)DDS的軟件復(fù)位。數(shù)據(jù)寫入主要完成頻率控制寄存器的選擇并實(shí)現(xiàn)頻率控制字的寫入。數(shù)據(jù)源選擇主要完成輸出信號(hào)頻率數(shù)據(jù)源的選擇。DDS程序設(shè)計(jì)主要流程如下：首先通過PC輸入3Hz的值，根據(jù)公式計(jì)算出要寫入頻率寄存器的值;其次完成DDS初始化，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部寄存器等部件的復(fù)位;然后設(shè)置數(shù)據(jù)寫入方式，寫數(shù)據(jù)到控制寄存器以及選擇的頻率寄存器;最后選擇輸出信號(hào)頻率數(shù)據(jù)源，根據(jù)用戶的需求輸出指定數(shù)據(jù)源。DDS程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。3 實(shí)驗(yàn)3.1 信號(hào)輸出波形本設(shè)計(jì)選用AD公司的AD9834DDS芯片，其輸出頻率公式為：

其中fMC為AD9834的時(shí)鐘頻率;FREQ為寫入28位頻率寄存器的值;為輸出信號(hào)頻率的分辨率[12]。當(dāng)選擇fMC=1MHz，輸出信號(hào)頻率的分辨率約為0.003 7Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)公式（1）計(jì)算出3Hz的頻率控制字，通過鍵盤輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)控制DDS產(chǎn)生的波形經(jīng)過濾波后的波形，由此可知信號(hào)頻率穩(wěn)定性滿足系統(tǒng)要求。

4.2 信號(hào)頻率穩(wěn)定度的計(jì)算測(cè)試時(shí)選取9Hz作為輸出信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)工作頻率，測(cè)量其穩(wěn)定度，利用安捷倫34411A系列六位半高性能數(shù)字萬用表對(duì)實(shí)際產(chǎn)生的輸出信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量所得數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

設(shè)實(shí)際工作頻率的均值珚f與標(biāo)稱工作頻率的最大偏差值為Δf，則頻率穩(wěn)定度由表1得珚f=2.999 52Hz，Δf=0.000 26Hz，則K=0.000 086 68=0.008 668%<0.01%，可見信號(hào)頻率穩(wěn)定性滿足系統(tǒng)要求。

結(jié)束語

本文針對(duì)過套管電阻率測(cè)井技術(shù)的特點(diǎn)，提出將DDS技術(shù)和單片機(jī)相結(jié)合，利用單片機(jī)控制DDS產(chǎn)生滿足測(cè)井要求的超低頻信號(hào)源。給出了MSP430F169單片機(jī)和DDS芯片AD9834的接口電路及模塊實(shí)現(xiàn)流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，信號(hào)源輸出頻率在0～10Hz之間，頻率穩(wěn)定度為0.008 7%，滿足過套管電阻率測(cè)井的要求。該信號(hào)源已成功用于過套管電阻率測(cè)井技術(shù)的理論研究項(xiàng)目中。

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