（信号与信息处理专业论文）建立大dds基础上的多频电磁波测井电路设计.pdf

鲨塑堕窒堕鲞奎堂堡主堂垡鲨壅一一摘要直接数字频率合成技术( d d s ) ，是近些年来随着数字集成电路和微电子技术的发展而迅猛发展起来的第三代频率合成技术。d d s 技术以其频率转换时间短、频率稳定度高、相位分辨率高，噪声低、输出相位连续、集成度高、具有任意波形的输出能力及数字调制功能等优点，被广泛应用在雷达，导航，仪器仪表等设备中作为参考时钟源或标准信号源。本文介绍的是将d d s 技术应用于多频电磁波测井电路的步进频率信号源设计。多频电磁波测井又称为介电测井，是通过测量电磁波在地层中传播产生的幅度衰减和相位偏移来求取地层电阻率的介电常数，进而确定地层储层参数。高精度、高稳定度的信号源对测井的精度起着至关重要的作用。本文的主要内容是首先以d d s 为基础设计多频电磁波测井电路的发射源部分，其次是设计多频电磁波测井电路接收端的幅相检测和基于幅相检测的数据采集系统。全文首先从多频电磁波测井电路的, i j d d $ 的基本理论出发，在此基础上设计了以d d s 芯a d 9 9 5 4为核心，利用单片机控制的步进频率信号源，并对d d s 的杂散信号做了研究和理论分析，设计了适用于信号源的低通椭圆函数滤波器，同时在接收端利用a d 8 3 0 2 芯片为核心构成幅相检测电路，对接收到的两路信号进行相干检测，并设计了数据采集系统对信号进行转换，利用c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机作为数据采集的主控单元以实现对接收到的信号的增益和相位差值的数据采集、转换以及与p c 机的通信。验证了a d 8 3 0 2 所具有的幅相检测特性以及数据采集系统的数据采集的正确性，最终完成了系统的软件调试和硬件设计。关键词：多频电磁波测井；d d s ；幅相检测；数据采集转换a b s t r a c ti nr e c e n tv e a r sw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a li n t e g r a t e dc i r c u i t s8 n dt h em i c r o e l e c t r o n i c st e c l l i l 0 1 0 9 y ，d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ( d d s ) a st h et h i r dg e n e r a t l o no f 行e q u e n c ys y n t h e s i sh a sb e e nar a p i dd e v e l o p m e n t d d sh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s ：t a s tf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，h i g hf r e q u e n c ys t a b i l i t y , h i g hp h a s er e s o l u t i o n ，l o wn o i s e , t h ec o n t i n u o u sp h a s e ，h i g hi n t e g r a t i o n ，a na r b i t r a r yw a v e f o r mo u t p u tc a p a b i l i t ya n dd i g i t a lm o d u l a t i o nc a p a b i l i t i e s s od d si sc o n s i d e r e da sas t a n d a r dr e f e r e n c ec l o c ks o u r c eo rs o u r c e ,w h i c hi sw i d e l yu s e di nr a d a r , n a v i g a t i o n ，i n s t r u m e n t a t i o na n do t h e re q u i p m e n t s t h ea r t i c l ed e s c r i b et h ed e s i g no fs t e p p e d f r e q u e n c ys i g n a ls o u r c eo fm u l t i - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cw a v el o g g i n gc i r c u i tb a s e do nd d s m u l t i _ f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cw e l ll o g g i n g ，a l s ok n o w na sd i e l e c t r i cl o g g i n gw h i c hc o m p u t et h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to ff o r m a t i o nr e s i s t i v i t yb ym e a n so fm e a s u r i n gt h ep r o p a g a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e sg e n e r a t e di nt h ef b n n a t i o na m p l i t u d ea t t e n u a t i o na n dp h a s es h i f ta n dt h e nt od e t e r m i n et h ef o r m a t i o no fr e s e r v o i rp a r a m e t e r s h i g ha c c u r a c y , h i g hs t a b i l i t ys i g n a ls o u r c e sp l a yac r u c i a lr o l eo nt h ea c c u r a c yo fl o g g i n g t h em a i nc o n t e n to ft h ea r t i c l ei si n t r o d u c et h es o u r c ep a r to fm u l t i - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cl o g g i n gc i r c u i tb a s e do nd d s t h es e c o n di sd e s i g n i n gt h ep h a s ed e t e c t i o na n dp h a s ed e t e c t i o no ft h er e c e i v ec i r c u i ta n dt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a f t e rl e a r n i n gt h et h e o r yo fm u l t i f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cw a v el o g g i n ga n dt h eb a s i ct h e o r yo fd d sc i r c u i t s ，t h es t e p p e d f r e q u e n c ys i g n a ls o u r c eu s i n ga d 9 9 5 4a st h ec o r eh a sb e e ni n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e at h e o r e t i c a la n a l y s i sw a su s e df o rd d ss p u r i o u sf e a t u r e sa n dd e s i g n dt h e1 0 w p a s se l l i p t i cf u n c t i o nf i l t e rw h i c hw a su s e di nt h es i g n a ls o u r c e t h eg a i na n dp h a s ed e t e c t i o nc i r c u i ta n dd a t aa c q u i s i i t i o ns y s t e mw e r ed e s i g n e dt od e t e c ta n dc o n v e r tt w or e c e i v es i g n a l s i nt h ew h o l es y s t e m ，c 8 0 51f 0 2 0a saw h o l ec o n t r o l l e rt or e a l i z et h ed a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r a g ea n dc o m m u n i c a t ew i t hp c ，a tt h es a m et i m ev e r i f yt h ed e t e c t i o no fa d 8 3 0 2a n dt h ev a l i d i t yo fd a t aa c q u i s i t i o n ，f i n a l l yc o m p l e t et h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g na n dd e b u g k e y w o r d s ：m u l t i f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cw a v el o g g i n g ；d d s ；g a i na n dp h a s ed e t e c t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o na n dc o n v e r s i o n沈阳堕窒堕鲞奎堂堡主堂垡笙茎一主要符号表f od d s 输出频率a fd d s 频率分辨率n相位累加器的位数v r e f参考电压f d d s 参考时钟频率rkd d s 频率控制字a o相位增量a幅度比沈阳航空航天大学硕士学位论文第1 章绪论随着石油工业的发展，人们对石油的需要日益增长，所以油田测井技术应运而生，它是一种井下勘探油气的技术。测井是在油田勘探的过程中对所测量的储油层的介质进行分析、比对，并且对油气的储量进行评估的一种技术。它主要应用在油井和矿藏的评价，这种方法在油田勘探中占有主导地位，并且操作简单，实用性很强。1 1 测井技术的分类和国内外的发展1 9 0 4 年德国人h u l s m e y e 最先用电磁波信号探测地下的金属目标，并且提出了利用电磁波检测地下目标的概念。随后德国的两位科学家将电磁波应用在对地下目标的定位上，并且把上述发明申请了专利。接着h t f l s e n b e e k 利用脉冲波技术来确定地下物体的形状、体积和物理特性，得出的结论是电磁波的反射现象来源于介电特性的变化。上述的发现为后来的测井技术提供了强有力的理论支持和实践基础。1 9 2 7 年，法国的斯伦贝_ i 身十兄弟发明了电测井技术，在法国p e c h e l b o n n 油田第一次记录了电测井曲线。法国人d o l l 提出了感应测井方法，并于1 9 4 6 年在美国t e x a s 州的一个油井中第一次记录了感应测井曲线，随后他提出了几何因子理论 1 1 。除电磁波测井外，其他的测井技术还有：双侧向测井、感应测井、阵列感应测井、声波测井和核测井等等。1 9 3 9 年1 2 月，我国才开始着手于测井技术领域的发展，著名地球物理学家翁文波教授为我国的测井技术做出了突出的贡献。开始只是简单的电阻率测井，直到1 9 5 0 年才使用侧向测井，在第一代三侧向测井的基础上，后来逐渐发展成为后来发展了七侧向、八侧向、微侧向等，普通的电阻率测井被逐渐发展的侧向测井淘汰。我国的核测井开始于1 9 5 2 年，声波测井开始于1 9 6 5 年。1 2 直接数字频率合成技术的简述信号源对测井的性能起着至关重要的作用，只有稳定、良好的信号源才能保证测井整体工作的顺利进行。因为在测量的过程中，发送的电磁波都是近几十兆赫兹以上的信号，所以只有稳定度和精度高、对频率、相位和幅度控制较为容易的信号才能使测井过沈阳航空航天大学硕士学位论文程顺利进行，并且能够保证测井的精确度。传统的频率合成采用模拟的方法，这类合成方法操作繁琐且精度达不到较高的要求。所以为了得到精确的结果，本系统中采用了直接数字频率合成( d d s ) 技术。d d s技术开始于2 0 世纪3 0 年代，初期由于技术的制约，d d s 技术得不到较快的发展。随着技术的进步，d d s 芯片工作的时钟频率越来越高，输出信号的频率也越来越大，极大得方便了科研、教学与工程实际。d d s 的工作原理是将具有稳定度和精确很高但是相位噪声很低的频率源进行传统的四则运算，表现在实际电路上就是经过实际电路的分频和倍频等处理得到具有相同精度的信号源的技术。d d s 技术在现代的电子设备不仅可以作为精确的时钟为外部的电路提供工作时钟，还可以做为高精度信号源被广泛应用在雷达、通信和导航中 2 1 。频率合成技术主要包括直接频率合成，间接频率合成，直接数字频率合成。直接频率合成是早期的频率合成技术，这种技术转换时间短，稳定度较高，但是由于在电路中引入了太多的混频、分频和滤波电路，所以噪声很难抑制，并且设备笨重，成本也很高。间接频率合成也称之为锁相环技术，这种技术转换时间相对较长，在具体的工作电路中并且很难实现较小的频率分辨率。直接数字频率合成技术是在1 9 7 1 年由美国学者j t i e m c y ，c m r a d e r 和b g o l d 提出来的，但是由于当时技术条件的限制，它的优越性没有更好的体现出来，在随后的2 0 年间，随着科学技术的发展和超高速电路条件的改善，d d s 技术已经开始突飞猛进的发展，并且由于自身明显的优点，已经广泛应用于各种领域。目前，美国a d 公司生产的d d s 芯片a d 9 9 5 8 、a d 9 9 1 0 和a d 9 9 1 2 工作频率可达1 g h z ，更加满足了特定场合宽带信号的要求。d d s 技术作为一种新兴的频率合成技术，充满极强的生命力，在研究d d s 技术的过程中还有很大一部分问题需要解决，如何精确分析d d s 输出信号的频谱、如何降低d d s 芯片内部的噪声和扩展输出信号的带宽范围以及如何更加容易的对d d s 芯片进行控制，这些都是需要不断的思考和解决的。我国对d d s 技术的研究还不够深入，某些d d s 芯片还得单纯依赖于进口，所以深入研究d d s 技术并且发挥其优势，对于我国的电子产业发展具有深远的意义。2沈阳航空航天大学硕士学位论文1 3 幅相检测技术的概述一般对相位和幅度的检测采用模拟的方法，它的基本原理是将输入的两路信号通过模拟乘法器进行相乘，增益信息在乘法器输出的直流分量上，相位信息储存在交流分量上，然后在乘法器输出信号中分别进行直流检波和交流检波，从而得到相应的幅度和相位信息，但是这种方法电路结构复杂，不易进行控制，并且精确度不够高，不能适用于精度要求较高的领域。美国a d 公司生产的幅相检测芯片可以有效的解决上述问题，它的基本原理是将两路频率相同的信号输入到芯片内部经过工作运算后，芯片的输出引脚会输出相应的经过比较后的幅度信息和相位差信息，并且这两路输出信息是稳定的电压信号，便于进行检测和处理。幅相检测技术已经广泛应用于自动化仪表、工业检测、雷达信号处理和频谱分析领域中。1 4 本文的主要研究内容本文以系统的频率合成和数据处理分析为基础，基于d d s 技术设计了电磁波测井的信号源，采用幅相技术来对接收信号的幅度和相位差进行了测量，使用了单片机控制发射源信号的产生和对接收信号的采集和处理，最后通过串行通信口与p c 机进行通信。本文的主要内容安排如下：第一章：介绍了测井技术的发展史和国内外测井技术的发展状况以及应用领域，并且介绍了d d s 技术和幅相检测技术的发展状况、优越性以及应用领域。第二章：介绍了电磁波测井的物理基础和工作原理，分析电磁波测井的组成结构以及步进频率信号源的原理，以此提出一种利用高性能直接数字频率合成技术( d d s ) 作为设计多频电磁波测井信号源的方案。第三章：首先叙述d d s 技术的工作原理和工作结构，分析了d d s 输出信号的频谱特性，并对d d s 芯片a d 9 9 5 4 的工作方式和原理进行了详细的阐述，然后归纳出频率步进信号源的具体设计方案；考虑到d d s 芯片自身的杂散输出，设计了低通滤波器来滤除噪声，并制作实际的硬件电路；考虑到a d 9 9 5 4 输出信号的功率范围小且随频率的变化而改变，因此对信号源输出信号的功率进行了进一步的调理，并且对螺旋天线进行了仿真分析。沈阳航空航天大学硕士学位论文第四章：主要介绍了针对电磁波测井技术的接收信号处理而提出来的一种幅相检测技术，采用一种专用的幅度相位检测芯片a d 8 3 0 2 构建成幅相检测电路，并且详细介绍了a d 8 3 0 2 的工作原理和内部的结构组成。第五章：本章的主要工作是数据采集系统的设计。将a d 8 3 0 2 输出的幅度比和相位差电压值信号采集和转换，利用c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为数据采集系统的主控单元，包括数据采集和转换、实时保存以及与上位p c 机的串行通信和数据保存显示。第六章：测试结果的分析。该章对所设计的d d s 信号源进行性能的测试；对于接收电路中的a d 8 3 0 2 进行电路的设计，并且对输入的两路信号进行相干比较，在m a t l a b 环境下对测量的增益电压和相位差比较电压绘制增益和相位差曲线图，然后给出增益和相位差的测量数值和a d 转换后的数据显示。最后针对系统的进一步改进提出了建议。沈阳航空航天大学硕士学位论文第2 章多频电磁波测井的基本理论2 1电磁波传播的物理基础在物理学上得知，电解质是能在电场中极化的物质。一般用介电常数来表示物质的介电性质或极化能力。在交变电场下，用复介电常数来表示：占一i 占”( 2 1 )占一。占l 。，t a n 万= 形( 2 - 2 )式中，s 是介电常数的实部，即通常所说的介电常数，占”表示介质的损耗，通常用损耗角正切值t a n 6 来表示。导电损耗和介质损耗两部分构成了物质在电磁场中的损耗，在射频条件下主要是导电损耗，在1 g h z 以上才需考虑介质损耗。岩石的介电常数主要取决于岩石骨架的介电常数$ 1 1 孑l 隙中流体的介电常数，也和岩石颗粒的组成结构和分布状态有关。主要造岩矿物和石油、天然气的相对介电常数与水的相对介电常数相比有很大的区别【。电磁波测井可以同时测量井眼周围地层电导率和介电常数，这些参数对评价钻孔附近一些特殊储集层具有非常重要的意义。具体可以解决下面的两个方面的问题：( 1 ) 油层和水层同为高电阻率和低电阻率的情况；( 2 ) 油田开发过程中出现的水淹井问题。对于上面两种环境下的储集层来说，利用常规的测井方法很难区分出油水层，但是用电磁波测井的方法所测得的介电常数可以在高电阻率淡水层和低电阻率油层的情况下很容易区分出油水层，这是因为水的介电常数比油的介电常数高出好多倍，并且电磁波测井受地层水矿化度的影响较小，且不受井中泥浆和套管绝缘性的影响，可以在油基泥浆和玻璃钢套管井中应用，进而判断油气水。在定态条件下，电磁波在介质中传播的电场强度e 满足亥姆霍兹方程：( v 2 + k 2 ) e d = 0( 2 3 )其中，k 2 = 0 9 2 占；：s i ! s ：s 一j e 。t a n 8 = ，s ( 2 4 )国沈阳航空航天大学硕士学位论文沿z 方向的平面波解为：已= e e i 烈七= e o e - 口z e i 烈肛( 2 5 )式中，国为电磁波角频率；为介质磁导率；s 为介电常数；盯为介质电导率。；称为耗散介质的复介电常数1 1 。在本系统中，天线组成属于单发双收系统，即在发送端发送频率步进的单一频率信号，在接收端采用两个与发射端相同的天线进行接收，通过比较两路接收信号的幅度比和相位差并且进行下一步处理，进而得出被测地质的特征信息。若发射线圈和接收线圈用磁偶极子近似，则在轴对称的假设下，方程( 2 - 3 ) 为睁擀+ 若帐2 卜却砸刊m z s ，协6 ，式中，d ( r ) 为狄拉克万函数。在求得电场后，每个接收装置中产生的感应电动势v为v = 2 z r e 。，其中r 是接收线圈的半径长度。对于高频电磁波测井，输出信号包括的信息是两接收线圈的幅度比a 和相位差矽：相位差：西= i m l n l ；v 2幅度比：a = 2 0 l o g l ( d b ) 。v 2式中，v 1 和v ，是两接收线圈的感应电动势 7 】。为保证高精度的数据，将d d s 技术应用于设计发射电路，可以有效地提高测井系统的稳定性和可靠性。电磁波传播测井时通过天线向地层辐射一般在2 0 m h z 以上的单频信号能量，两个不同源距的接收天线接收沿井轴传回来的信号。设两个接收天线之间的距离为z ，则通过两接收信号的功率电平分析可得到衰减量e a t t ，对两接收信号的相位进行分析则可以得到两接收信号之间的相位差矽，进而求得传播时间t ，。= 妾瓮等。图2 1 是测量原理示意图，图中给出了对远、近接收信号r 1 和r 2 进行传播时间t p 。和衰减量e a t t 测量的示意图。6沈阳航空航天大学硕士学位论文图2 1 测量原理示意图2 2 衰减测量e a t t = l 口i ，其中口为电磁波的振幅衰减系数。若近接收天线和远接收天线和发射天线的距离分别为z ，和z ：，由式2 3 可知，近远接收天线处电场强度的幅度分别为：e 1 = eo e 川2 1( 2 7 )e 2 = e o e 嘲2( 2 8 )以上两个式子与前面的式子联立可得：e a t t ：l 口i ：垫盟生上竺堕坚d ( d b m )z在微波信号的强度分析中，常用到的表示功率单位是功率电平，若某电磁波信号的功率是p ( m w ) ，则其功率电平可表示为：p ( d b m ) = 1 0 1 9 p ( m w ) ，用功率电平表示可以把微波段的电磁波信号的振幅和幅度衰减( 或增益) 有机的结合起来。假设近接收天线接收信号的功率电平为p l n ，远接收信号的功率电平为b ，p 2 为某个固定信号的功率电平，贝, l je a t i = 学=zz为将近远接收信号降至功率电平为p 2 信号的衰减量。2 3 多频电磁波测井系统的组成与总体设计方案，式中，n v 和f v 分另4由时序步进采样理论可以知道，被采样周期和采样信号的重复时间的差值t 影响沈阳航空航天大学硕士学位论文着等效采样速率和采样的精度。因此在设计步进脉冲电路的关键之一就是使步进时间的差值t 既小又稳定，这样才可以得到高质量的脉冲信号【8 1 。在产生步进频率信号的解决方案中，常用的方法是将一个阶梯波信号与一个快斜波信号通过比较器来得到步进信号。图2 2 是其原理示意图。厂厂厂厂厂| |i |yyy| r ；r ni 厂r 图2 2 步进信号产生的过程这种由全部是模拟器件构成的步进信号产生电路就够复杂，调试也比较麻烦，而且很容易受到外部噪声的干扰，同时要对步进脉冲的步进值调节也是很困难刚引。基于上述的考虑，本系统提出了一种利用直接数字频率合成的方法产生步进信号的方案，利用数字频率合成技术来产生一个频率可调且分辨率较高的正弦波。对于电磁波测井电路，数据采集电路包括幅度测量电路和相位差测量电路，记录方式为由c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机构成的数字和模拟记录，测井电路主要由单片机进行控制各部分有序的工作。在此电路中，a d 8 3 0 2 的增益和相位差电压通过单片机的模拟输入引脚输入到单片机内部进行a d 转换，同时将转换结果送入p c 机进行下一步处理。信号处理电路的主要功能是进行快速傅里叶变换( f f t ) ，由于在步进信号中是每一个单频信号进行发射接收后，才进行下一个信号的发射和接收，当所设定的所有频率测量完成后，对所有信号对应的幅度比和相位差进行a d 变换，并且通过串口与p c 机进行通信。沈阳航空航天大学硕士学位论文电磁波传播测井与其他测井技术的体制一样，只是对所要测量的参数表现形式不同。在进行电磁波测井的过程中，目标体的分辨率和测量精度受电磁波能量和带宽的限制。本论文所设计的电磁波测井电路系统包括发射端的步进频率信号源和接收端的增益与相位检测以及处理幅相检测结果的数据采集通信系统，论文的总体设计方案框图如图2 3 所示。4 0 m h z 晶振l a d 9 9 5 4p c 机控制单元c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机数据采集电路椭圆函数滤波器增益电压相位差电压增益放大电路幅相检测电路图2 3电磁波测井总体设计框图本系统的电路设计共分为两部分：发射单元和接收处理单元。系统的发射部分采用d d s 技术来实现频率步进和单频信号持续时间可控的信号源，在信号调理的电路中针对d d s 自身的信号杂散设计了抑制噪声的椭圆低通滤波器，并且对信号的功率进行放大以实现天线的发射。接收部分主要是幅相检测电路，利用专门的幅相检测芯片对接收的两路信号进行处理，处理后得到的两路稳定电压信号输入到单片机内部进行a d 转换，利用串口通信将转换后的数字量信息送入计算机实现进一步的处理。发射和接收端的均由新华龙公司生产的高速集成单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 进行控制，并且实现对整个数据采集系统和人机接口通信部分的控制。沈阳航空航天大学硕士学位论文第3 章步进频率信号源的设计本章主要介绍了直接数字频率合成( d d s ) 方法的原理和d d s 芯片内部的结构与组成，并且分析了d d s 的频谱特性，介绍了一种d d s 芯片a d 9 9 5 4 的工作方式和原理以及对它的控制方法，并且提出了一种由单片机控制实现频率步进信号的方案。3 1d d s 技术的原理以及频谱分析3 1 id d s 的合成原理d d s 技术是一种把一系列由数字量表示的有规律的信号通过d a c 数模转换得到由模拟信号表示的信号合成技术。它的工作原理可由下面的式子来表示：s o = a s i n ( 2 r c f o t l( 3 1 )其中是& 输出的正弦信号，乒是输出信号的频率。从上面的式子中可以看出上述的正弦信号在时域上是连续的信号，为了在逻辑上对它进行表示，必须进行离散化处理，利用基准时钟对其抽样量化，这样，正弦信号的相位可以表述为：0 = 2 z f o t( 3 2 )上面所说的基准时钟来源于外部电路所连接的晶振，在本系统中，发射部分电路中所接的晶振频率为4 0 m h z ，利用芯片内部的寄存器进行1 0 倍的倍频，最终满足a d 9 9 5 4的4 0 0m h z 的时钟。在一个时钟周期冗，相位目的变化量为：秒：2 万厶兀：2 ，r f o( 3 3 )，c其中乒指c 胧的频率对于2 万理解为满相位，为了对臼进行采样和量化，把2 刀分割成2 份，这样每个时钟周期的相位增量秒利用量化值b 口来表示：b 口= 等2 ，其中b 一为整数。与( 3 3 ) 联立后可得下式：1 0沈阳航空航天大学硕士学位论文第3 章步进频率信号源的设计本章主要介绍了直接数字频率合成( d d s ) 方法的原理和d d s 芯片内部的结构与组成，并且分析了d d s 的频谱特性，介绍了一种d d s 芯片a d 9 9 5 4 的工作方式和原理以及对它的控制方法，并且提出了一种由单片机控制实现频率步进信号的方案。3 1d d s 技术的原理以及频谱分析3 1 id d s 的合成原理d d s 技术是一种把一系列由数字量表示的有规律的信号通过d a c 数模转换得到由模拟信号表示的信号合成技术。它的工作原理可由下面的式子来表示：s o = a s i n ( 2 r c f o t l( 3 1 )其中是& 输出的正弦信号，乒是输出信号的频率。从上面的式子中可以看出上述的正弦信号在时域上是连续的信号，为了在逻辑上对它进行表示，必须进行离散化处理，利用基准时钟对其抽样量化，这样，正弦信号的相位可以表述为：0 = 2 z f o t( 3 2 )上面所说的基准时钟来源于外部电路所连接的晶振，在本系统中，发射部分电路中所接的晶振频率为4 0 m h z ，利用芯片内部的寄存器进行1 0 倍的倍频，最终满足a d 9 9 5 4的4 0 0m h z 的时钟。在一个时钟周期冗，相位目的变化量为：秒：2 万厶兀：2 ，r f o( 3 3 )，c其中乒指c 胧的频率对于2 万理解为满相位，为了对臼进行采样和量化，把2 刀分割成2 份，这样每个时钟周期的相位增量秒利用量化值b 口来表示：b 口= 等2 ，其中b 一为整数。与( 3 3 ) 联立后可得下式：1 0沈阳航空航天大学硕士学位论文等= 妥；肌一尝n 4 ，进过上面的推导可以得出，信号的输出可表示为s o = a s i n ( 鲰一1 + a o ) = a s i n 等( b k - 1 - l - 执目) = a f 。i 。( b k - i + b 目) 】( 3 - 5 )其中0 k t 是指前一个时钟周期的相位值，和前一步的分析类似，得出：b 。x 一。翌茎二! 2 ( 3 6 )27 1 从以上几个式子的推导可以得出，只需对相位的量化值进行简单的累加运算，就可以得到当前正弦信号的相位值，经过累加的相位量化值决定了当前输出信号的频率，所以二者呈现出线性关系9 1 。相位累加器的功能主要是进行相位累加，它的输入称为频率输入字，正弦r o m 通过查表转换就可以完成相位到幅度的转换。正弦r o m 的输入即为r o m 的地址值，通过查表的过程，将其输出送入d a 转换器实现数模转换。现在最广泛应用的d d s 结构就是以存储器为查询表，然后通过d a c 产生正弦波，这个正弦波是利用数字量的形式来表示。它的具体工作过程是以高稳定的时钟作为参考时钟源，用相位来描述正弦信号，然后对参考时钟进行采样，再次查询正弦r o m 表，最终产生所需的特定频率的正弦波。d d s 基本组成结构如图3 1 所示。频率控f o图3 1d d s 结构原理图因为d d s 芯片内部必须由一个相同的时钟才能使整个系统协调的进行工作，所以上述的参考时钟同步于整个系统，相位累加器在每一个时钟到来的时候增加一个步长的相位增量值，信号的频率大小是由频率控制字编程相位抽样来决定的，相位增量的大小受程序写入的频率控制字的影响，一旦给了频率控制字，输出的频率大小就决定了。输出沈阳航空航天大学硕士学位论文信号的频率五和参考频率五、频率控制字k 的关系为：f o = k x f s 2 ，输出信号的分r，辨率为：瓴= f s 2 。根据n y q u i s t 采样定理知，d d s 输出的最大频率为厶倒= 。但是为了得到较高精度的信号，一般将d d s 输出信号的频率设定为4 0 术正。相位累加器是d d s 的核心，当每一个时钟到来的时候，相位寄存器对频率控制字和上一个周期相位累加器的值之和进行采样，采样得到的值作为相位累加器在此时刻的输出，波形存储器查询表的地址来源于相位累加器输出的高m 位，将波形存储器读出的波形量化值送入d a 转换器进行数据转换，最终实现所需特定频率的模拟正弦信号输出。实际上经过d a c 输出的正弦波信号并不是真正的模拟的连续的波形，而是阶梯模拟信号，即经过d a c 转换的信号时以正弦波为包络的阶梯波，需要在d d s 的输出端接一个低通滤波器才能实现真正意义上的模拟、连续的正弦波信号。频率合成器对d a c转换器也有很高的要求，d a c 的转换位数越高，输出信号的分辨率也就越高，输出的波形也就越平滑。但是由于d d s 自身的影响，输出的阶梯波信号中除了主频z 外，还有分布在乒，2 两边+ f o 处的非谐波分量，这些非谐波分量属于高频成分，对输出信号的干扰很大，由于d d s 芯片内部没有低通滤波器，所以必须在d d s 的输出端外接低通滤波器滤除高频干扰，以实现纯净的正弦信号输出。3 1 2d d s 输出信号的频谱分析d d s 输出的信号在满足以下三个条件时是理想的：1 ) 利用相位累加器全部的位来对正弦查询表寻址；2 ) 正弦查询表中用于实现幅度量化的位数为无穷大；3 ) d a c 的转换位数为无穷大，分辨率高并且具有理想的转换特性。显然，在实际的工作条件下，上述的三个理想条件不可能满足，所以d d s 的输出就不可避免的含有杂波和高频干扰，并且由于量化位数的影响，输出信号的频率不一定达到非常理想的精度，但是输出频率精度在可以接受的范围内。图3 2 给出了频率控制字k = 3 ，n = 4 时的理想d d s 输出波形图。f o = 3 f c 1 6沈阳航空航天大学硕士学位论文一it犯￥闰嘤笊8 t c1 2 3 ii6 x c。乒岱，一nf 端鞠7#w- 1，_ - 一图3 2 理想d d s 波形输出示意图由上图可见，d d s 经d a c 转换后的输出信号并非是正弦波，其输出信号的数学表达式为：x ( t ) = n 州( t 一1 t o ) ( t t c )( 3 - 7 )其中，p t c ( t ) 为如图3 3 所示的窗函数，所以有：( f )1一t c 2t c 2t图3 3 窗函数p t c ( t )( r 引= 器麓铒阶梯波x ( t ) 的傅里叶变换x ( o ) 为：( 3 8 )x ( 动= _ j 万萎l = + o os a ( f o - t c l f c 万) e x p ( - jl f c f - f o ) 万( r o + l 缈c - t o o )伽1 萎= - 4 - o o s a 学力州- j 半) 文颤o + 1 0 9 。+ c o o ) ”理想的d d s 输出信号的频谱位于o ) o l o c 处，并且所有的频谱线都在沈阳航空航天大学硕士学位论文s 。( 生专坠万) 的包络范围内，产生这种现象的原因主要是平顶抽样带来的孔径失真。如图3 4 所示。0 d b1 0 d b- 2 0 d b3 0 d bm s p s图3 4 理想d d s 的输出频谱图图中e = 3 0 0 m h z ，f o = 8 0m h z 。2 2 0 m h z 是2 2 0 m h z 的镜像，同理2 8 0 m h z ，6 8 0 m h z分别是一2 8 0 m h z 、6 8 0 m h z 的镜像。当1 = 0 时，d d s 输出的理想信号即为在所有频谱中幅度值最大的基准频率信号，其幅度值可达万s 。f o 么) 且在n 米f c 处没有频谱线。由奈奎斯特定律可以得到，采集时钟的频率至少为被采集信号频率的2 倍，如果低于这个值，采集回来的采样值就不能1 5 1 艮好的反映出被采样信号的信息，在上图可以得到：1 s t 镜像频率就回落d c 这一段，即奈奎斯特带宽内。假如在d d s 信号源后面外接一个低通滤波器，就可以很有效的解决这个问题，很大一部分高频干扰噪声就会被滤除掉，并且在d d s 输出信号的频谱上可以看到选择合适的输出带宽使输出信号的杂散排除到正常信号输出的带宽之外，并且允许带宽内的信号幅度在0 1 d b 范围内波动，这是可允许的范围。经过上述的解决方案，可使d d s 输出比较纯净和平滑的正弦信号。因此在实际的应用中，通过对所用d d s 芯片的分析和研究，选择合适的输出带宽来抑制杂散干扰信号的输出，避免输出杂散落入输出信号的带宽内。d d s 的杂散主要来源于下面三种因素：相位截断误差、幅度量化误差和d a c 的转换引起的误差。从前面的叙述可知，相位累加器的位数越高，信号的分辨率也就越高，但前提条件是波形存储器的容量要很大，这会增加芯片的成本，所以不可能实现。由于不能用相位1 4沈阳航空航天大学硕士学位论文累加器的所有的位来寻址，势必有一部分的位数不能被利用，这就产生了相位截断误差，表现在频谱上就是增加了杂散分量。一般用于抑制由于相位截断引起的杂散的方法有采用低通滤波器滤除杂散和频率控制字的优化设计两种，前面已经介绍了滤波器的作用，通过调节频率控制字可以得到相对准确的信号频率。比如在本系统中，适当改变频率控制字来实现输出频率的大小调节，频率控制字在小范围内的变化实现频率的微调，这种方法很有效，在本系统中收到了良好的效果。幅度量化误差的来源与相位截断误差的来源类似，都是因为存储位的有限或者已有的位数不能被完全利用所引起的。幅度量化误差属于系统自身的误差，不能被有效的滤除，但是对输出信号的影响不大，所以在有的情况下可以不予考虑。由于d d s 输出的模拟信号是由数字信号通过d a c 转换得到的，由于受到d a c 自身的转换速率、有限的转换位数和非理想特性的影响，使得转换后的信号引入了失真的信号，并且d a c 转换引入的干扰是d d s 输出信号的主要杂散来源之一。所以必须在后续的电路中对这些干扰进行处理。通过上述对d d s 技术的分析和研究，可以得出d d s 作为一种先进的频率合成方法有着比其他的频率合成更加优越的特点，利用这种由全数字合成信号的方法具有灵活的可操作性和多样性。3 1 3d d s 芯片的选择通过上述的对频率合成技术的分析和研究，采用直接数字频率合成技术最合适，因此在系统中选择高效能的d d s 芯片很重要。当前市场上流行的d d s 芯片有很多类，主要有a d 7 0 0 8 ，a d 9 5 0 - - - a d 9 8 5 4 ，以及a d 9 9 5 系列，本系统中选择a d 9 9 5 4 ，该芯片相比于其它类产生同等频率的产品，性价比更高且控制相对简单且与大多数的同步传输格式兼容。3 2 基于a d 9 9 5 4 的频率步进信号源的设计a d 9 9 5 4 芯片作为信号源的核心芯片，通过频率控制字的输入即可实现特定频率信号的输出。3 2 1a d 9 9 5 4 芯片简介和内部寄存器分析沈阳航空航天大学硕士学位论文累加器的所有的位来寻址，势必有一部分的位数不能被利用，这就产生了相位截断误差，表现在频谱上就是增加了杂散分量。一般用于抑制由于相位截断引起的杂散的方法有采用低通滤波器滤除杂散和频率控制字的优化设计两种，前面已经介绍了滤波器的作用，通过调节频率控制字可以得到相对准确的信号频率。比如在本系统中，适当改变频率控制字来实现输出频率的大小调节，频率控制字在小范围内的变化实现频率的微调，这种方法很有效，在本系统中收到了良好的效果。幅度量化误差的来源与相位截断误差的来源类似，都是因为存储位的有限或者已有的位数不能被完全利用所引起的。幅度量化误差属于系统自身的误差，不能被有效的滤除，但是对输出信号的影响不大，所以在有的情况下可以不予考虑。由于d d s 输出的模拟信号是由数字信号通过d a c 转换得到的，由于受到d a c 自身的转换速率、有限的转换位数和非理想特性的影响，使得转换后的信号引入了失真的信号，并且d a c 转换引入的干扰是d d s 输出信号的主要杂散来源之一。所以必须在后续的电路中对这些干扰进行处理。通过上述对d d s 技术的分析和研究，可以得出d d s 作为一种先进的频率合成方法有着比其他的频率合成更加优越的特点，利用这种由全数字合成信号的方法具有灵活的可操作性和多样性。3 1 3d d s 芯片的选择通过上述的对频率合成技术的分析和研究，采用直接数字频率合成技术最合适，因此在系统中选择高效能的d d s 芯片很重要。当前市场上流行的d d s 芯片有很多类，主要有a d 7 0 0 8 ，a d 9 5 0 - - - a d 9 8 5 4 ，以及a d 9 9 5 系列，本系统中选择a d 9 9 5 4 ，该芯片相比于其它类产生同等频率的产品，性价比更高且控制相对简单且与大多数的同步传输格式兼容。3 2 基于a d 9 9 5 4 的频率步进信号源的设计a d 9 9 5 4 芯片作为信号源的核心芯片，通过频率控制字的输入即可实现特定频率信号的输出。3 2 1a d 9 9 5 4 芯片简介和内部寄存器分析沈阳航空航天大学硕士学位论文a d 9 9 5 4 芯片是美国a d 公司推出的一款d d s 集成芯片。a d 9 9 5 4 内置高速、高性能的d a c 转换器和超高速比较器，可实现编程控制，通过外部控制器和内部寄存器的设置进行操作，工作时钟频率可达4 0 0 m h z ，根据奈奎斯特采样定理，a d 9 9 5 4 输出正弦波信号的最高频率为2 0 0 m h z ，但是在一般情况下为了得到高质量的信号，一般将其输出频率设置在1 6 0 m h z 左右。a d 9 9 5 4 内含1 0 2 4 3 2 的静态r a m ，可实现高速调制，并支持几种扫频方式。通过a d 9 9 5 4 的串行i o 口可实现控制字的写入，进而输出特定频率的正弦波信号。a d 9 9 5 4 芯片内部有1 4 位d a c 转换位，并且支持幅度和相位编程，有3 2 位频率转换字和1 4 位相位转换字，所以可实现较高的频率分辨率，供电电源为1 s v 和3 3 v ，支持大多数的5 v 电平供电，通过内部寄存器2 ( c f r 2 ) 可实现4 2 0 倍的倍频以满足芯片的正常工作时钟。a d 9 9 5 4 有单端输出和差分输出两种形式。由于a d 9 9 5 4 的第4 5引脚可产生时钟输出，所以可作为外部硬件同步即支持多片同步的功能。a d 9 9 5 4 采用4 8 脚t q f p e p 封装，其部分引脚的功能说明如表3 1 所示：表3 1a d 9 9 5 4 主要引脚功能引脚符号功能描述1i 0u p d a t ei o 更新控制，与s y n cc l k 输出信号与引脚电平的建立保持与关8o s c r e f c l k b振荡器的反向输入90 s c i 迮f c l k振荡器输入1 1c l k m o d e s e l振荡器控制输入端，为1 时使能振荡器e c t2 0o u t bd a c 输出2 lo u td a c 输出2 3d a c b pd a c 去耦端2 4d a c r s e td a c 复位端3 5p w r d w n c t r外部掉电模式控制端3 6r e s e t芯片复位端3 7i o s y n c串行异步端口控制复位位3 8s d o串行数据输出端3 9c s片选