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Design of A High Performance Sine Wave Current Source Based on DDS Chip AD9833
Abstract: This paper introduces a high performance sine wave current source (SSCS) based on DDS chip AD9833. The sine wave generator of the SSCS is based on DDS chip AD9833 and the low-pass filter (LPF) chip LTC1560-1 is adopted for reducing noises. The voltage-current conversion unit is based on the improved Howland current pump. The newly-designed SSCS possesses better frequency purity and magnitude stability, higher output impedance and voltage compliance. Practical application of the SSCS proves its advantages.
Key words: Sine Wave Current Source, DDS, AD9833, Howland Current Pump
摘要 本文设计了一种基于DDS芯片AD9833的高性能正弦扫频式恒流源。正弦波信号源采用了新型DDS芯片AD9833，并利用滤波芯片LTC1560-1进行低通滤波；V/I转换电路采用了改进型Howland电流泵，从而使该新型恒流源具有更好的频谱纯度和幅值稳定度，更高的输出阻抗和电压柔量。该恒流源在实际使用中取得了很好的效果。
关键词 正弦波恒流源；DDS；AD9833；Howland电流泵
1 引言
在生物组织复阻抗频谱特性测量中，为了得到多种频率下电压与电流的关系，通常是借助置于体表的电极系统向被测体注入一微小的正弦交流恒流源，检测被测体上相应的电压变化情况。由于生物组织的特殊性，用于生物组织复阻抗频谱特性测量的恒流源除了要能提供频率稳定的驱动电流外，还要求恒流源的频率转换时间非常短，以利于快速扫频测量；另外还由于引入生物组织的电流其幅值本身就很小，很小的偏差就会对测量结果造成相当大的影响，因而恒流源必须能提供幅值稳定的交变电流；此外，恒流源的输出电流不应负载阻抗的变化而出现大的波动，这就要求恒流源具有很高的输出阻抗。因此，恒流源信号质量是影响系统性能的主要因素之一。为满足在生物复阻抗频谱测量实验系统的需要，本文设计了一种正弦扫频式恒流源，它具有扫频范围宽，波形失真小、输出阻抗高、电路结构简单的特点。
2 系统原理及组成
本文设计的恒流源基于直接数字合成（DDS）技术，由用于生成频率可调的正弦波信号发生器和电压控制电流源（VCCS）两部分组成，其中波形发生器基于DDS芯片AD9833，VCCS是基于改进的Howland电流泵电路。恒流源的基本结构如图1所示。
图1 恒流源基本结构图
图1中，单片机系统通过SPI总线将控制字写入DDS芯片AD9833，使AD9833输出预期频率的正弦波信号VI，VI经低通滤波器（LPF）后得到纯净的正弦波信号VO。VO经改进的Howland电流泵电路进行V－I变换后，最终输出具有极高输出阻抗的正弦恒流源信号IO。单片机也可在系统闲置时通过控制引脚关闭有源晶振和LPF的电源，达到降低功耗的目的。本文以下部分将分别详细介绍正弦波发生器和电压控制电流源的具体设计细节。
3 正弦波发生器
3.1 AD9833
正弦波发生电路采用直接数字频率合成器（DDS）产生不同频率、幅度恒定的正弦电压信号，具体芯片型号为AD9833。AD9833是AD公司生产的一款易编程、低功耗的波形发生器。它主要有DDS单元、10位的D/A和串行接口组成，能输出正弦波、方波、三角波3种波形。AD9833的操作也非常简单，它拥有3线SPI接口，该芯片采用10个管脚的µSOIC封装，功率只有20mW。正弦波发生电路如图2所示。
图2中，AD9833的输出频率ƒOUT由下式计算：
 （1）
其中ƒCODE表示频率控制字，理论上其值可以从1～228-1，由单片机通过SPI接口写入；ƒMCLK表示时钟频率，在本设计中ƒMCLK＝16×106。DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定，即为ƒMCLK／2。AD9833的频率控制字是28位，所以当采用时钟采用16MHz时，理论上最大输出频率为8MHz（实际输出大概是参考时钟的40%），输出频率分辨率可达0.06Hz。
图2中有源晶振U9在工作时功耗很大，因此在系统闲置时应及时关闭，以降低系统功耗。图中的有源晶振的电源由晶体管Q2提供，Q2受来自单片机的引脚VOSC控制，当VOSC＝1时，Q2关闭，有源晶振的电源被切断，达到了降耗的目的。
3.2 低通滤波器（LPF）
DDS技术的原理是在ROM中存储一个周期的正弦曲线采样点表，每一个存储单元存储的样点数据和地址之间的关系与正弦波的正弦幅值和时间轴的关系是一致的。这样，当按顺序逐单元读出ROM的样点数据时，就能得到量化了的正弦曲线，若周期的重复这一过程，并将数字量经D/A转换与平滑滤波后输出，从而得到连续的正弦波信号。但是，一个周期的样点数据个数和D/A转换器的量化误差都会影响输出的正弦波的质量，尤其是在频率很高时，低失真度的正弦信号很难获得。因此，DDS输出的模拟信号必须经过低通滤波器以滤除附加在较低频率信号上的高频数字伪信号。
本设计中的LPF采用了凌特公司（Linear Technology）的1MHz/500kHz五阶连续时间低噪声低通椭圆滤波器LTC1560-1，LTC1560-1不需要外部元件即可构成高性能的截止频率ƒC为500 kHz或1 MHz的LPF，当引脚5接V+时，ƒC＝500kHz，引脚5接V-时，ƒC＝1MHz。LTC1560-1用±5V电源供电，并具有电源关闭方式（通过引脚7控制）。本文设计的截止频率为1MHz的椭圆低通滤波器电路如图3所示。
图3中LTC1560-1的输入信号VI即AD9833的输出，滤波后的输出信号从第8脚输出至单增益的输出缓冲器U3。空闲时，单片机可通过引脚控制SHDN＝1，使LTC1560-1进入电源关闭方式。
4 电压控制电流源（VCCS）
4.1 Howland电流泵
Howland电流泵原理电路如图4所示。图4中，当满足平衡条件
 （2）
时，负载电流IO可表示为
 （3）
此时电流泵的输出阻抗RO＝∞，电压柔量（voltage compliance，即输出电压的可摆动范围）|VL|≤|Vsat|－R2B(IO＋I1)。
4.2 基于Howland电流泵的VCCS
基于Howland电流泵的VCCS如图5所示，它将正弦波发生电路产生的正弦电压信号转换为恒定的正弦电流信号。
图5中，当满足平衡条件
 （4）
时，负载电流IO仍维持公式（3）的关系，输出阻抗RO＝∞。图5所示VCCS一方面使R2B从公式（2）的平衡条件制约中解脱出来，仅仅调节R2B即可改变输出电流IO，也不会破坏电路的平衡条件；另一方面也使VCCS输出电压VL的电压柔量比图4的Howland电流泵的电压柔量更宽，此时的电压柔量|VL|≤|Vsat|－R2BIO，原因是图5中运放A2、A3的加入使得电阻R2B流过的电流仅仅是输出电流IO。
5 结论
本文设计的正弦扫频式恒流源采用DDS芯片AD9833，频率设置快速方便灵活；新型滤波芯片LTC1560-1使得正弦信号具有更好的频谱纯度和幅值稳定度；改进的Howland电流泵使得电压控制电流源具备更高的输出电压柔量；低功耗芯片的选择和电源关闭方式的使用使得整个恒流源系统的功耗更低，特别适用于便携式的多频阻抗测量系统。本恒流源已使用于便携式生物阻抗频谱测量仪，实现了阻抗的快速准确测量。
本文作者创新点：采用新型小体积、低功耗DDS芯片AD9833作为正弦波信号源，经LTC1560-1进行低通滤波，获得更好的频谱纯度和幅值稳定度；改进型Howland电流泵电路将电压源信号转换为恒流源信号，从而使该新型恒流源具有更高的输出阻抗和电压柔量；电源控制电路大幅提升恒流源整体低功耗性能。
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