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DSP和DDS的三維感應(yīng)測井高頻信號源實(shí)現(xiàn)

作者: 時間:2015-05-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  高頻信號源設(shè)計(jì)是三維感應(yīng)測井的重要組成部分。三維感應(yīng)測井的原理是利用激勵信號源通過三個正交的發(fā)射線圈向外發(fā)射高頻信號,再通過多組三個正交的接收線圈,得到多組磁場分量,從而準(zhǔn)確測量地層各向異性電阻率。在測井過程中,要求信號源的頻率為高頻,并且要求信號的頻率有很高的穩(wěn)定性。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/273570.htm

  產(chǎn)生信號的方法很多,可以采用函數(shù)發(fā)生器外接分立元件來實(shí)現(xiàn),通過調(diào)節(jié)外接電容或電阻來設(shè)置輸出信號頻率。但輸出信號受外部分立器件參數(shù)影響很大,且輸出信號頻率不能太高,同時無法實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)調(diào)節(jié)。另外,采用FPGA可實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)。但當(dāng)輸出高頻信號時,需要高速D/A 來配合工作。本文采用數(shù)字直接合成技術(shù),采用專用集成芯片AD9834作為信號產(chǎn)生模塊,由A21992來作為控制器來完成整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用此方法不僅克服了外搭分立元件的干擾,而且AD9834內(nèi)部有D/A轉(zhuǎn)換器,縮小了信號源的體積,從而滿足了測井儀器的要求。

  信號源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)選A21992作為主控制器,通過鍵盤顯示與控制芯片7279來接收功能設(shè)置和參數(shù)設(shè)置等信息,并將輸出信號等信息送到數(shù)碼管顯示。同時,控制器將讀取的按鍵信息轉(zhuǎn)換成控制命令通過串行接口送給AD9834,由AD9834產(chǎn)生正弦信號,再經(jīng)過信號調(diào)理,使信號達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

  

 

  圖1 信號源整體設(shè)計(jì)框圖

  A21992控制模塊

  本設(shè)計(jì)采用ADSP21992作為控制器件,它的最高工作時鐘頻率達(dá)到150MHz,提供一個獨(dú)立的、標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口SPI,在此主要利用SPI總線向AD9834發(fā)送頻率控制字,使AD9834產(chǎn)生符合要求的高頻信號。串行外設(shè)接口SPI提供了一個4線、全雙工串行總線的能力,本設(shè)計(jì)中SPI器件不需要接收數(shù)據(jù),因此將它配置為主器件。SPI使用4個信號:主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)、串行時鐘(SCLK)、從選擇(SPISS)。其中串行時鐘頻率最高可以是外設(shè)時鐘頻率的1/4。AD9834的電源電壓在2.3V到 5.5V范圍內(nèi)可選,ADSP21992的電源電壓為3.3V,所以在連接時無需電平轉(zhuǎn)換。由于ADSP21992只向AD9834發(fā)送數(shù)據(jù),不需要接收數(shù)據(jù),因此要將ADSP21992的SPI設(shè)置為主器件。具體接口電路如圖2所示。

  

 

  圖2 ADSP21992與AD9834的接口

  電路設(shè)計(jì)

  電路設(shè)計(jì)主要包括接口電路、DDS芯片及信號調(diào)理電路等,接口電路主要對DSP發(fā)送來的信號進(jìn)行接收,接收DSP的控制命令,DDS根據(jù)收到的DSP控制命令及接收到的頻率控制字,生成符合頻率要求的信號并輸出。由于DDS的輸出為電流信號,因此,必須將電流信號通過負(fù)載轉(zhuǎn)換為電壓信號,將得到的電壓信號進(jìn)行調(diào)理即可得到所需的正弦信號。DDS電路設(shè)計(jì)的原理框圖如圖3所示。

  

 

  圖3 DDS電路設(shè)計(jì)的原理框圖

  DDS模塊

  直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)具有輸出信號精度高、變頻速度快、輸出信號連續(xù)、控制方便及性價比高等諸多優(yōu)點(diǎn),因而適用于高頻、高精度正弦信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選用AD9834,它主要由數(shù)控振蕩器(NCO)、相位調(diào)制器、正弦查詢表ROM和1個 10位D/A轉(zhuǎn)換器組成。數(shù)控振蕩器和相位調(diào)制器主要由2個頻率選擇寄存器、1個相位累加器、2個相位偏移寄存器和1個相位偏移加法器構(gòu)成,它的最高工作頻率可達(dá)50MHz。AD9834的輸出頻率f0由(1)式求得

  

 

  其中fMCLK為AD9834的時鐘頻率; FREQREG為寫入28位頻率寄存器的值; fMCLK/228為頻率分辨率。在本設(shè)計(jì)中選擇fMCLK=16.384MHz,頻率的分辨率為0.0061MHz,滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)公式(1)代入 fMCLK=16.384MHz, f0=20kHz,求得

  

 

  將FREQREG的值反代入公式(1)得到AD9834的真實(shí)輸出頻率為

  

 

  差分放大電路設(shè)計(jì)

  差分放大環(huán)節(jié)采用AD公司生產(chǎn)的AD620芯片。AD620是低功耗、低噪聲、高性能儀表放大器,通過外接一個電阻可以改變其增益(范圍為1到10000)??梢院芎玫赝瓿刹罘中盘柕絾味诵盘柕霓D(zhuǎn)換。其管腳如圖4所示。其中RG端為外接電阻端,通過其調(diào)節(jié)電壓增益;+IN、-IN分別為差分器輸入的同相端和反相端;+Vs、-Vs分別為正負(fù)電源端;OUTPUT為信號輸出端;REF為輸出參考電源端。

  

 

  圖4 AD620管腳圖

  濾波電路

  AD9834內(nèi)部存在D/A轉(zhuǎn)換器,信號通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出。由D/A輸出階梯波的頻譜分析可知,除了主頻之外,頻譜中還出現(xiàn)主頻的倍頻分量,這種高頻分量可視為噪音。由于DDS技術(shù)含有上述噪聲,所以必須在D/A轉(zhuǎn)換器之后接濾波電路。這里采用二階壓控電壓源低通濾波電路,其特點(diǎn)是輸入阻抗高,輸出阻抗低。二階壓控電壓源低通濾波電路如圖5所示。

  

 

  圖5 二階壓控低通濾波電路

  本設(shè)計(jì)的截止頻率為20kHz,選擇C=0.047?F,經(jīng)計(jì)算得R=12.305kΩ ,R1=16.651kΩ , RF=9.757kΩ 。利用上述的電路和參數(shù)驗(yàn)證,達(dá)到了阻帶衰減速度快,相位呈線性的理想效果。

  高頻放大電路

  為增大AD9834 輸出信號幅值,采用高頻運(yùn)放AD811進(jìn)行信號放大,它具有高速、高頻、寬頻帶、低噪聲等優(yōu)異特性。但考慮到輸出信號幅值隨頻率增大而減小,系統(tǒng)采用數(shù)控電位計(jì)X9C102 來實(shí)現(xiàn)可變增益放大,即依據(jù)輸出信號頻率的不同來改變數(shù)控電位計(jì)的值,以改變增益。可變增益放大器原理圖如圖6所示。

  

 

  圖6 可變增益放大器原理圖

  軟件實(shí)現(xiàn)

  軟件流程圖如圖7所示,主要包括復(fù)位、初始化、寫頻率字和控制字等部分。初始化部分主要包括對 DSP的SPI串行口初始化及配置和對DDS的初始化。本設(shè)計(jì)把ADSP21992作為主機(jī),通過設(shè)置SPICTL寄存器使DSP成為主機(jī),選擇 SPICTL寄存器里的TIMOD值為01,從而啟動SPI傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)啟動數(shù)據(jù)發(fā)送時,DSP自動將TDBR寄存器的內(nèi)容裝入到發(fā)送移位寄存器;當(dāng)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時,自動將接受一位寄存器的內(nèi)容裝入到RDBR寄存器。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,AD9834采用串行控制比特位方式選擇相位、頻率寄存器;PIN/SW =0,選擇控制字模式; FSEL=0,選擇使用頻率寄存器0;D13=0時,將28位的頻率寄存器分成2個14位的寄存器工作,且頻率字的高14 位和低14 位可以獨(dú)立改變。SDATA、SCLK 和FSYNC 3個引腳向AD9834 中寫數(shù)據(jù)和控制字。當(dāng)FSYNC=0時,表示向AD9834 寫入1個新字,并將在下1個SCLK的下降沿讀入第1位,其余的位在隨后SCLK 的下降沿讀入,經(jīng)過16個SCLK下降沿后,置FSYNC=1,實(shí)現(xiàn)了DSP對AD9834 的控制。

  

 

  圖7 程序主流程圖

  結(jié)語

  本文采用ADSP21992和DDS 芯片AD9834 實(shí)現(xiàn)高頻正弦信號發(fā)生器的設(shè)計(jì),克服了傳統(tǒng)方法中輸出信號受外界元件參數(shù)影響的缺點(diǎn),同時AD9834 內(nèi)部集成有高速D/A,可直接輸出正弦信號,避免外接D/A,簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。AD9834 輸出正弦信號精度高、穩(wěn)定性好、輸出信號連續(xù)、控制方便,將基于上述優(yōu)點(diǎn)的信號發(fā)生器應(yīng)用于三維感應(yīng)測井中,可以提高系統(tǒng)性價比,達(dá)到三維感應(yīng)測井對信號源的要求。同時,基于DDS技術(shù)的信號發(fā)生器將獲得廣泛的應(yīng)用。

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