一種正弦掃頻式恒流源設(shè)計(jì)

1、第 27卷第 6期增刊 2006年 6月儀 器 儀 表 學(xué) 報(bào)Vol. 27No. 6J une. 2006一種正弦掃頻式恒流源設(shè)計(jì)3楊宇祥 王玨 牛飛龍 汪宏武(生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 西安 710049摘 要 高純度 、 高輸出阻抗的正弦恒流源信號是生物電阻抗測量設(shè)備的關(guān)鍵部件 。 本文設(shè)計(jì)了一種具有 1M Hz 帶寬的正弦掃頻式恒流源 , 其中正弦波形發(fā)生器基于 DDS 芯片 AD9833, 采用了新型 L PF 芯片 L TC156021進(jìn)行低通濾波 ; 電壓電流源 轉(zhuǎn)換器在 Howland 電流泵的基礎(chǔ)上改進(jìn) , 使其具備更高的輸出電壓柔量

2、。 時(shí)鐘源和 L PF 采用了電源控制技術(shù) , 可在系統(tǒng)閑 置時(shí)關(guān)閉電源 。 該恒流源在便攜式生物阻抗頻譜測量儀的實(shí)際應(yīng)用表明 :新型恒流源具有更好的頻譜純度和幅值穩(wěn)定度 , 更 高的輸出阻抗和電壓柔量 , 更低的功耗 。 關(guān)鍵詞 正弦掃頻式恒流源 AD9833 L TC156021 Howland 電流泵 電壓柔量Design of a sine sw eeping current sourceYang J Wang Hongwu(Key L aboratory of B of Education M inist ry , S chool ofL i f e S cience J iaoto

3、ng Universit y , X i p an 710049, China Abstract Sine current h and high output impedance is a key part in bioimpedance measurement introduces a novel sine sweeping current source (SSCS wit h t he upper frequency limit of 1, consist s of a sine 2wave generator (SWG and a voltage 2current convertor (

4、VCC . The SWG is based on DDS chip AD9833and low 2pass filter (L PF chip L TC156021, while t he VCC is an improved version of t he traditional Howland current pump with higher output voltage compliance. The power supply of t he source clock and t he L PF can be shut off by system controller at idle

5、time. The application of t he SSCS in a portable bioimpedance spectrometer proves t hat t he new SSCS can provide better frequency purity and magnit ude stability , higher output impedance and voltage compliance , and lower power consumption.K ey w ords sine sweeping current source AD9833 L TC156021

6、 Howland current pump voltage compliance 3基金項(xiàng)目 :國家自然科學(xué)基金 (60271025 資助項(xiàng)目1 引 言在生物組織復(fù)阻抗頻譜特性測量中 , 恒流源信號 質(zhì)量是影響系統(tǒng)性能的主要因素之一。 由于生物組織 的特殊性 , 恒流源除了提供頻率穩(wěn)定的驅(qū)動電流外 , 還 要求恒流源的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短 , 以利于快速掃頻 測量 ; 另外由于引入生物組織的電流幅值本身就很小 , 很小的偏差會對測量結(jié)果造成相當(dāng)大的影響 , 因而恒 流源必須能提供幅值穩(wěn)定的交變電流 1; 此外 , 恒流源的輸出電流不因負(fù)載阻抗的變化而出現(xiàn)大的波動 , 這就要求恒流源具有很高的輸出

7、阻抗2。 本文設(shè)計(jì)了一種正弦掃頻式恒流源 , 它具有頻率穩(wěn)定、 變頻快速、 幅值穩(wěn)定 、 輸出阻抗高、 電路結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。2 系統(tǒng)原理及組成本文設(shè)計(jì)的恒流源基于直接數(shù)字合成 (DDS 技 術(shù) , 由正弦波信號發(fā)生器和電壓控制電流源 (VCCS 兩部分組成 , 其中波形發(fā)生器基于 DDS 芯片 AD9833,VCCS 是基于改進(jìn)的 Howland 電流泵電路。 恒流源的基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示。圖 1中 , 單片機(jī)系統(tǒng)通過 SPI 總線將控制字寫入DDS 芯片 AD9833, 使 AD9833輸出預(yù)期頻率的正弦波信號 V I ,V I 經(jīng)低通濾波器 (L PF 后得到純凈的正弦 波信號 V O 。

8、 V O 經(jīng)改進(jìn)的 Howland 電流泵電路進(jìn)行 第 6期增刊 一種正弦掃頻式恒流源設(shè)計(jì) 163 圖 1 恒流源基本結(jié)構(gòu)圖V 2I 變換后 , 最終輸出具有極高輸出阻抗的正弦恒流源信號 I O 。 單片機(jī)也可在系統(tǒng)閑置時(shí)通過控制引腳 關(guān)閉有源晶振和 L PF 的電源 , 達(dá)到降低功耗的目的。 本文以下部分將分別詳細(xì)介紹正弦波發(fā)生器和電壓控 制電流源的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。3 正弦波發(fā)生器3. 1 AD9833正弦波發(fā)生電路采用直接數(shù)字頻率合成器 (DDS 產(chǎn)生不同頻率、 幅度恒定的正弦電壓信號 , 具體芯片型 號為 AD9833。 AD9833是 AD 程、 低功耗的波形發(fā)生器。它主要有 10的 D

9、/A 和串行接口組成 , 3種波形。 AD9833, 它擁有 3線 SPI 接口 , 該芯片采用 SOIC 封裝 , 功率只有 20mW 3。 正弦波發(fā)生電路如圖 2所示。圖 2中 ,AD9833的輸出頻率 f OU T 由下式計(jì)算 :f OU T=228F MCL K(1式中 :fCODE 表示頻率控制字 , 理論上其值可以是 1228-1, 由單片機(jī)通過 SPI 接口寫入 ;f MC L K 表示時(shí)鐘頻率 ,在本設(shè)計(jì)中 f MC L K =16106。 DDS 的最大輸出頻率由 Nyquist 采樣定理決定 , 即為 f MC L K /2。 AD9833的頻率控制字是 28位 , 所以當(dāng)

10、時(shí)鐘采用 16MHz 時(shí) , 理論上最大 輸出頻率為 8MHz (實(shí)際輸出大概是參考時(shí)鐘的 40% , 輸出頻率分辨率可達(dá) 0. 06Hz 。圖 2中有源晶振 U9在工作時(shí)功耗很大 , 因此在 系統(tǒng)閑置時(shí)應(yīng)及時(shí)關(guān)閉 , 以降低系統(tǒng)功耗 。圖中的有 源晶振的電源由晶體管 Q2提供 ,Q2受來自單片機(jī)的 引腳 VOSC 控制 , 當(dāng) VOSC =1時(shí) ,Q2關(guān)閉 , 有源晶振 的電源被切斷 , 達(dá)到了降耗的目的。3. 2 低通濾波器 (LPFDDS 技術(shù)的原理是在 ROM 中存儲一個(gè)周期的正弦曲線采樣點(diǎn)表 , 每一個(gè)存儲單元存儲的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和地址之間的關(guān)系與正弦波的正弦幅值和時(shí)間軸的關(guān)系圖 2 正弦

11、波發(fā)生電路是一致的 。這樣 , 當(dāng)按順序逐單元讀出 ROM 的樣點(diǎn) 數(shù)據(jù)時(shí) , 就能得到量化了的正弦曲線 , 若周期的重復(fù)這 一過程 , 并將數(shù)字量經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換與平滑濾波后輸出 , 從而得到連續(xù)的正弦波信號。但是 , 一個(gè)周期的樣點(diǎn) 數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和 D/A , , 低失真度的正弦 。 本設(shè)計(jì)中的 L PF 采用了凌特公司的五階連續(xù)時(shí) 間低噪聲低通橢圓濾波器 L TC156021, 它不需要外部 元件即可構(gòu)成高性能的截止頻率 f C 為 500k Hz 或 1M Hz 的 L PF 。 當(dāng)引腳 5接 V +時(shí) ,f C =500k Hz ; 引腳 5接 V -時(shí) ,f C =1M Hz 。 L

12、TC156021用 5V 電源供電 , 并具有電源關(guān)閉方式 (通過引腳 7控制 4。本文設(shè)計(jì) 的截止頻率為 1M Hz 的橢圓低通濾波器電路如圖 3所示。圖 3 基于 L TC156021的低通濾波器電路圖 3中 L TC156021的輸入信號 V I 即 AD9833的 輸出 , 濾波后的輸出信號從第 8腳輸出至單增益的輸 出緩沖器 U3?？臻e時(shí) , 單片機(jī)可通過引腳控制 SHDN=1, 使 L TC156021進(jìn)入電源關(guān)閉方式。4 電壓控制電流源 (VCCS4. 1 H ow land 電流泵Howland 電流泵原理電路如圖 4所示。圖 4中 ,164 儀 器 儀 表 學(xué) 報(bào) 第 27卷

13、 當(dāng)滿足平衡條件 :R 3=R 1(2時(shí) , 負(fù)載電流 I O 可表示為 :I O =R 4R 3R 2BV 1(3此時(shí) 電 流 泵 的 輸 出 阻 抗 R O = , 電 壓 柔 量(voltage compliance , 即輸出電壓的可擺動范圍 |V L | |V sat |-R 2B (I O+I 1 5。 圖 4 Howland 電流泵原理電路4. 2 基于 H ow land 電流泵的 VCCS基于 Howland 電流泵的 VCCS 如圖 5所示 , 它將 正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦電壓信號轉(zhuǎn)換為恒定的正 弦電流信號。圖 5中 , 當(dāng)滿足平衡條件 :R 3=R 1(4時(shí) , 負(fù)載電

14、流 I O 3 的關(guān)系 , 輸出阻抗 R O =。 圖 5所示 VCCS 一方面使 R 2B 從式 (2 的平衡條件 制約中解脫出來 , 僅僅調(diào)節(jié) R 2B 即可改變輸出電流 I O , 也不會破壞電路的平衡條件 ; 另一方面也使 VCCS 輸 出電壓 V L 的電壓柔量比圖 4的 Howland 電流泵的電 壓柔量更寬 , 此時(shí)的電壓柔量 |V L | |V sat |-R 2B I O , 原 因是圖 5中運(yùn)放 A2、 A3使得電阻 R 2B 流過的電流僅僅 是輸出電流 I O 。 圖 5 基于 Howland 電流泵的 VCCS5 結(jié) 論本文設(shè)計(jì)的正弦掃頻式恒流源采用 DDS 芯片AD9

15、833, 頻 率 設(shè) 置 快 速 方 便 靈 活 ; 新 型 濾 波 芯 片L TC156021使正弦信號具有更好的頻譜純度和幅值穩(wěn)定度 ; 改進(jìn)的 Howland 電流泵使得電壓控制電流源 具備更高的輸出電壓柔量 ; 低功耗芯片的選擇和電源 關(guān)閉方式的應(yīng)用使整個(gè)恒流源系統(tǒng)的功耗更低 , 特別 適用于便攜式的多頻阻抗測量系統(tǒng)。本恒流源已使用 于便攜式生物阻抗頻譜測量儀 , 實(shí)現(xiàn)了阻抗的快速準(zhǔn) 確測量 6。 參考文獻(xiàn)1 M P Bolton , et al. , of error in bioimpedancespectroscopy Measurement , 1998. 2Ross , et al. , Current source design forimpedance tomography J .PhysiologicalMeasurement , 2003. 24(2 :5092516. 3 Analog DevicesInc , AD9833Datasheet.www.analog. com , 2003. 4 LinearTechnology Corporation , L TC156021DataSheet. Linear Technology Corporation , 1997. 5 美 SergioFranco. 基于運(yùn)算放大器和模擬集