论文部分内容阅读
摘 要：目的 设计能够满足过套管电阻率测井需要的具有高稳定度、超低频率等特点的正弦信号源。方法 采用direct digital synthesis（DDS）技术结合单片机控制实现该信号源的设计方案。结果与结论 设计实现了信号源的控制模块、DDS模块、接口电路等。实验结果表明，信号源输出频率在0～10Hz之间，频率稳定度为0.008 7%，满足过套管电阻率测井的要求。
关键词：信号源;高稳定度;超低频;输出频率
1.DDS技术概述
作为最主要的数字化技术，DDS具有诸多优势，对比传统的频率合成器，DDS技术其功耗比较低，花费的成本也低，并且转换的频率快，分辨率较高，对于设备数字化的发展至关重要。一般情况下，DDS技术可以通过以下几种方法来产生信号：（1）一般来说，可利用IC-函数信号发生器来产生信号，但是这种方式产生电信号具有功能不全、可利用性低，并且其精度低，不能满足高频率信号要求等弊端。（2）利用单片机集成芯片的函数发生器实现：例如MAX038，其优势是可以产生高频率的信号，并且能够制造不同的波形.但MAX038需要通过模拟信号来对输出频率进行控制，不但要将处理器输出的信号进行转换，还需要控制转换出的信号，由于步骤增多，降低了频率的精度，使得电路更加复杂。相对于上述几种实现信号发生器的方法，DDS技术作为新型频率合成技术，可以直接合成DDS芯片，使用便捷，可节省资源。
2.系统设计的基本原理
本文以的单片机的DDS芯片为AD9833，匹配相对参数，输入相关的数值，得到幅值、波形以及频率的信号的变化情况。如图1所示，鉴于矩形键盘有利于信号频率、幅值以及波形参数的输入，所以输入键盘采用4*4的矩形键盘。一般情况下，输出波形的过程中会有干扰出现，应采取措施避免干扰，文中采取限幅滤波法进行滤波。AD9833的波形幅值为0.65V，远远小于实际应用中所需的幅值，不能满足需求，应将过滤之后的波幅值放大。除此之外，因为AD9833的波形频率能达到12.5Hz，应结合带宽来选择放大器，确保满足要求。
3.超低频信号源设计
超低频信号源主要由单片机控制模块、DDS模块、调理模块、显示模块、输入模块、PC模块组成。单片机控制模块作为整个系统的控制核心，能够实现控制命令的发送和输出电流电压的检测;DDS模块接收单片机的命令并合成超低频信号;调理模块对DDS产生的正弦信号进行处理;输入模块实现产生信号的频率、电压幅值的手动输入;显示模块实现信号波形、输出电流电压大小、频率的显示;PC模块可以控制单片机实时改变信号源参数。
本文选用TI公司的MSP430F169单片机实现整个系统的控制。DDS芯片选用AD公司的AD9834。通过键盘输入信号的频率值，经单片机处理后转换为DDS的频率控制字发送至DDS模块，DDS将合成的频率发送到调理模块进行处理，最终得到所需频率的正弦信号。
3.1DDS模块设计DDS模块主要由DDS芯片、差分电路、滤波电路和放大电路构成，主要实现命令的接收、信号的生成、噪声的滤除、输出信号的放大等功能。DDS模块主要接收单片机发送的控制命令，根据命令生成符合频率要求的正弦信号。差分电路主要有2个作用，一个是将双端输出转换成单端输出，一个是消除输出信号的直流部分。滤波电路采用二阶巴特沃斯有源低通滤波器来滤除输出信号的高频成分。DDS模块设计原理图如图2所示。
3.2接口电路MSP430F169单片机和DDS芯片AD9834具有完全兼容的SPI接口，因此采用SPI总线接口方式实现二者的连接。单片机向AD9834发送数据而不接收数据，故将单片机的SPI设置为主机模式;而AD9834的SPI接收单片机发送的数据而不向单片机发送数据，故将它设置为从机模式。单片机与AD9834硬件接口电路如图3所示。
4.连接原理框图
4.1DDS程序设计DDS程序设计主要由DDS初始化、数据写入和数据源选择3部分组成。DDS初始化程序主要实现DDS的软件复位。数据写入主要完成频率控制寄存器的选择并实现频率控制字的写入。数据源选择主要完成输出信号频率数据源的选择。DDS程序设计主要流程如下：首先通过PC输入3Hz的值，根据公式计算出要写入频率寄存器的值;其次完成DDS初始化，实现内部寄存器等部件的复位;然后设置数据写入方式，写数据到控制寄存器以及选择的频率寄存器;最后选择输出信号频率数据源，根据用户的需求输出指定数据源。DDS程序设计流程图如图4所示。3 实验3.1 信号输出波形本设计选用AD公司的AD9834DDS芯片，其输出频率公式为：
其中fMC为AD9834的时钟频率;FREQ为写入28位频率寄存器的值;为输出信号频率的分辨率[12]。当选择fMC=1MHz，输出信号频率的分辨率约为0.003 7Hz，满足设计要求。
根据公式（1）计算出3Hz的频率控制字，通过键盘输入到单片机中，单片机控制DDS产生的波形经过滤波后的波形，由此可知信号频率稳定性满足系统要求。
4.2 信号频率稳定度的计算测试时选取9Hz作为输出信号的标准工作频率，测量其稳定度，利用安捷伦34411A系列六位半高性能数字万用表对实际产生的输出信号频率进行测量，测量所得数据记录如表1所示。
设实际工作频率的均值珚f与标称工作频率的最大偏差值为Δf，则频率稳定度由表1得珚f=2.999 52Hz，Δf=0.000 26Hz，则K=0.000 086 68=0.008 668%<0.01%，可见信号频率稳定性满足系统要求。
结束语
本文针对过套管电阻率测井技术的特点，提出将DDS技术和单片机相结合，利用单片机控制DDS产生满足测井要求的超低频信号源。给出了MSP430F169单片机和DDS芯片AD9834的接口电路及模块实现流程。实验结果表明，信号源输出频率在0～10Hz之间，频率稳定度为0.008 7%，满足过套管电阻率测井的要求。该信号源已成功用于过套管电阻率测井技术的理论研究项目中。
参考文献：
[1] 吴银川，张家田，严正国.过套管电阻率测井信号源设计研究[J].石油天然气学报（汉江石油学院学报），2009，31（1）：68-70.
[2] 張家田，黄为森，严正国，等.基于过套管电阻率测井的超低频信号源设计[J].石油仪器，2008，22（6）：4-6.
[3] 陈国童.基于DDS技术相位可调的低频信号源硬件实现[J].赤峰学院学报（自然科学版），2014，30（2下）：42-44.
关键词：信号源;高稳定度;超低频;输出频率
1.DDS技术概述
作为最主要的数字化技术，DDS具有诸多优势，对比传统的频率合成器，DDS技术其功耗比较低，花费的成本也低，并且转换的频率快，分辨率较高，对于设备数字化的发展至关重要。一般情况下，DDS技术可以通过以下几种方法来产生信号：（1）一般来说，可利用IC-函数信号发生器来产生信号，但是这种方式产生电信号具有功能不全、可利用性低，并且其精度低，不能满足高频率信号要求等弊端。（2）利用单片机集成芯片的函数发生器实现：例如MAX038，其优势是可以产生高频率的信号，并且能够制造不同的波形.但MAX038需要通过模拟信号来对输出频率进行控制，不但要将处理器输出的信号进行转换，还需要控制转换出的信号，由于步骤增多，降低了频率的精度，使得电路更加复杂。相对于上述几种实现信号发生器的方法，DDS技术作为新型频率合成技术，可以直接合成DDS芯片，使用便捷，可节省资源。
2.系统设计的基本原理
本文以的单片机的DDS芯片为AD9833，匹配相对参数，输入相关的数值，得到幅值、波形以及频率的信号的变化情况。如图1所示，鉴于矩形键盘有利于信号频率、幅值以及波形参数的输入，所以输入键盘采用4*4的矩形键盘。一般情况下，输出波形的过程中会有干扰出现，应采取措施避免干扰，文中采取限幅滤波法进行滤波。AD9833的波形幅值为0.65V，远远小于实际应用中所需的幅值，不能满足需求，应将过滤之后的波幅值放大。除此之外，因为AD9833的波形频率能达到12.5Hz，应结合带宽来选择放大器，确保满足要求。
3.超低频信号源设计
超低频信号源主要由单片机控制模块、DDS模块、调理模块、显示模块、输入模块、PC模块组成。单片机控制模块作为整个系统的控制核心，能够实现控制命令的发送和输出电流电压的检测;DDS模块接收单片机的命令并合成超低频信号;调理模块对DDS产生的正弦信号进行处理;输入模块实现产生信号的频率、电压幅值的手动输入;显示模块实现信号波形、输出电流电压大小、频率的显示;PC模块可以控制单片机实时改变信号源参数。
本文选用TI公司的MSP430F169单片机实现整个系统的控制。DDS芯片选用AD公司的AD9834。通过键盘输入信号的频率值，经单片机处理后转换为DDS的频率控制字发送至DDS模块，DDS将合成的频率发送到调理模块进行处理，最终得到所需频率的正弦信号。
3.1DDS模块设计DDS模块主要由DDS芯片、差分电路、滤波电路和放大电路构成，主要实现命令的接收、信号的生成、噪声的滤除、输出信号的放大等功能。DDS模块主要接收单片机发送的控制命令，根据命令生成符合频率要求的正弦信号。差分电路主要有2个作用，一个是将双端输出转换成单端输出，一个是消除输出信号的直流部分。滤波电路采用二阶巴特沃斯有源低通滤波器来滤除输出信号的高频成分。DDS模块设计原理图如图2所示。
3.2接口电路MSP430F169单片机和DDS芯片AD9834具有完全兼容的SPI接口，因此采用SPI总线接口方式实现二者的连接。单片机向AD9834发送数据而不接收数据，故将单片机的SPI设置为主机模式;而AD9834的SPI接收单片机发送的数据而不向单片机发送数据，故将它设置为从机模式。单片机与AD9834硬件接口电路如图3所示。
4.连接原理框图
4.1DDS程序设计DDS程序设计主要由DDS初始化、数据写入和数据源选择3部分组成。DDS初始化程序主要实现DDS的软件复位。数据写入主要完成频率控制寄存器的选择并实现频率控制字的写入。数据源选择主要完成输出信号频率数据源的选择。DDS程序设计主要流程如下：首先通过PC输入3Hz的值，根据公式计算出要写入频率寄存器的值;其次完成DDS初始化，实现内部寄存器等部件的复位;然后设置数据写入方式，写数据到控制寄存器以及选择的频率寄存器;最后选择输出信号频率数据源，根据用户的需求输出指定数据源。DDS程序设计流程图如图4所示。3 实验3.1 信号输出波形本设计选用AD公司的AD9834DDS芯片，其输出频率公式为：
其中fMC为AD9834的时钟频率;FREQ为写入28位频率寄存器的值;为输出信号频率的分辨率[12]。当选择fMC=1MHz，输出信号频率的分辨率约为0.003 7Hz，满足设计要求。
根据公式（1）计算出3Hz的频率控制字，通过键盘输入到单片机中，单片机控制DDS产生的波形经过滤波后的波形，由此可知信号频率稳定性满足系统要求。
4.2 信号频率稳定度的计算测试时选取9Hz作为输出信号的标准工作频率，测量其稳定度，利用安捷伦34411A系列六位半高性能数字万用表对实际产生的输出信号频率进行测量，测量所得数据记录如表1所示。
设实际工作频率的均值珚f与标称工作频率的最大偏差值为Δf，则频率稳定度由表1得珚f=2.999 52Hz，Δf=0.000 26Hz，则K=0.000 086 68=0.008 668%<0.01%，可见信号频率稳定性满足系统要求。
结束语
本文针对过套管电阻率测井技术的特点，提出将DDS技术和单片机相结合，利用单片机控制DDS产生满足测井要求的超低频信号源。给出了MSP430F169单片机和DDS芯片AD9834的接口电路及模块实现流程。实验结果表明，信号源输出频率在0～10Hz之间，频率稳定度为0.008 7%，满足过套管电阻率测井的要求。该信号源已成功用于过套管电阻率测井技术的理论研究项目中。
参考文献：
[1] 吴银川，张家田，严正国.过套管电阻率测井信号源设计研究[J].石油天然气学报（汉江石油学院学报），2009，31（1）：68-70.
[2] 張家田，黄为森，严正国，等.基于过套管电阻率测井的超低频信号源设计[J].石油仪器，2008，22（6）：4-6.
[3] 陈国童.基于DDS技术相位可调的低频信号源硬件实现[J].赤峰学院学报（自然科学版），2014，30（2下）：42-44.