調(diào)頻電流源是一種頻率可以改變的電流源，ARM控制DDS輸出一個(gè)頻率以及幅度可調(diào)的正弦電壓信號，DDS輸出信號再經(jīng)過濾波以及V/I 轉(zhuǎn)換得到一個(gè)正弦電流信號，其電流幅度輸出范圍為0~20 mA，頻率范圍為0~1 MHz。詳細(xì)講述了該調(diào)頻電流源實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)以及相應(yīng)的公式推導(dǎo)。對所設(shè)計(jì)的調(diào)頻電流源電路的性能進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，其輸出頻率0~1 MHz。幅度0~20 mA內(nèi)可調(diào)，符合設(shè)計(jì)的要求。該電路精度高，穩(wěn)定性好。

　　0 引言

　　調(diào)頻電流源作為電流源的一種，需為負(fù)載提供穩(wěn)定的電流的儀器，目前市場上，頻率可調(diào)的電流源較少，多為頻率固定的恒流源，在一些測量里，需要用到頻率可調(diào)的電流源，例如測量人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，就需要用到頻率可調(diào)的電流源。傳統(tǒng)的電流源電路多采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，輸出的頻率穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高。現(xiàn)在數(shù)字化發(fā)展越來越快，DDS技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。應(yīng)用DDS技術(shù)能夠產(chǎn)生頻率快速轉(zhuǎn)換。分辨率高。相位可控的信號。這在電子測量。雷達(dá)系統(tǒng)。調(diào)頻通信等領(lǐng)域具有十分重要的作用。本文采用DDS 技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)頻率可調(diào)的正弦信號來實(shí)現(xiàn)調(diào)頻電流源的設(shè)計(jì)，它可以實(shí)現(xiàn)0~1 MHz信號的輸出，通過信號放大電路。濾波電路。電壓-電流電路來實(shí)現(xiàn)交流電流的輸出，提高了調(diào)頻電流源的精度和穩(wěn)定度。

　　1 調(diào)頻電流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　調(diào)頻電流源的原理框圖如圖1所示，由信號源產(chǎn)生一個(gè)正弦的交流信號，經(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)換得到一個(gè)交流的電流信號，經(jīng)過反饋控制保證電流信號的穩(wěn)定度。

　　該調(diào)頻電流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。由原理圖可知整個(gè)調(diào)頻電流源包括ARM 控制DDS正弦波產(chǎn)生電路。信號放大電路。低通濾波電路和電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。

　　電路工作原理：通過鍵盤輸入需要調(diào)頻電流源需要輸出的電流值大小以及頻率值，由ARM 寫控制字到DDS，由DDS輸出相應(yīng)的正弦信號，若需要輸出為直流，則不需要產(chǎn)生相應(yīng)的正弦信號，正弦信號通過信號放大電路得到一個(gè)較大幅度的正弦信號，該信號通過低通濾波器，輸出電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，得到相應(yīng)的電流信號。

　　為了維持輸出電流信號的穩(wěn)定度，將輸出信號經(jīng)過取樣電阻以及峰值檢波電路反饋到ARM 控制器，通過A/D采樣，讀取輸出信號的最大值，由ARM 進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，從來保證了信號的穩(wěn)定度。其中低通濾波器主要濾除不需要的諧波，減少干擾；RS 232為通信端口。

　　1、1 信號源

　　該調(diào)頻電流源的信號源是由ARM 控制DDS 輸出一個(gè)正弦信號來實(shí)現(xiàn)，其連接如圖3 所示。ARM 控制DDS輸出一個(gè)信號的頻率以及幅度可調(diào)的正弦信號。

　　DDS的基本結(jié)構(gòu)主要包括相位累加器。相位寄存器和波形查找表。DDS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于高速數(shù)字電路，其工作速度主要受D/A轉(zhuǎn)換器的限制。DDS的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　圖中：K 為頻率控制字；n 為查找表的地址線位數(shù)；N 為相位累加器的字長；L 為查找表的數(shù)據(jù)線位數(shù)，即DAC的分辨率；fc為系統(tǒng)參考時(shí)鐘。DDS系統(tǒng)在參考時(shí)鐘fc的作用下，相位累加器(由N 位加法器和N 位相位寄存器組成)對頻率控制字K 進(jìn)行線性累加，將結(jié)果的高n 位作為查找地址進(jìn)行相位幅度轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生L 位幅度量化值，再由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。相位累加器作為DDS的核心，不斷地對頻率控制字進(jìn)行累加，累加器的溢出頻率就是輸出信號的頻率。DDS的輸出信號頻率為：

　　當(dāng)K=1時(shí)，DDS系統(tǒng)輸出頻率最小也就是DDS系統(tǒng)的頻率分辨率，掃頻信號源頻率分辨率直接取決于DDS的頻率分辨率：

　　DDS輸出信號是對周期信號的合成，由奈奎斯特采樣定理可知，最大輸出頻率為：

　　所以K 的取值范圍為：

　　因此，DDS技術(shù)為這類高精度且頻率可調(diào)的電流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)與技術(shù)支持。

　　1、2 低通濾波器

　　DDS 技術(shù)的原理是將存儲在ROM中的正弦曲線采樣點(diǎn)讀取并經(jīng)過轉(zhuǎn)換與平滑濾波后輸出連續(xù)的正弦波信號。由于采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)以及量化誤差都會(huì)生成噪聲信號，DDS 輸出的模擬信號必須經(jīng)過低通濾波器以濾除附加在較低頻率信號上的高頻數(shù)字偽信號。本設(shè)計(jì)中采用OPA603構(gòu)成一個(gè)二階的巴特沃斯低通濾波器，該低通濾波器的外圍電路簡單易實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的截止頻率為1 MHz的巴特沃斯低通濾波器電路如圖5所示。

　　該低通濾波器的截止頻率的計(jì)算公式為：

　　取R=1。5 kΩ，C=100 pF，根據(jù)公式可得：

　　1、3 電壓-電流轉(zhuǎn)換

　　在該設(shè)計(jì)中使用改進(jìn)型的Howland 電流泵將正弦電壓信號轉(zhuǎn)化為正弦電流信號。Howland 電流泵原理圖如圖6所示。

　　電流泵的輸出電阻Ro = ∞ 。常規(guī)的電壓轉(zhuǎn)換為采用的是并聯(lián)電流負(fù)反饋電路，此電路輸出電壓柔性較差，電壓輸出效率低，因?yàn)槿与娮枰嫉艉艽笠徊糠值碾妷海⑶页Ｒ?guī)的壓控電流源不能實(shí)現(xiàn)一端接地，這也是并聯(lián)電流負(fù)反饋本身的缺陷。如圖7所示，改進(jìn)型的Howland 電流泵，具有較高的輸出電壓柔性，并且另一端可以接地，較常規(guī)的Howland 電流泵的是，引入了兩個(gè)反饋電流，這樣便于電阻的篩選，并且在一定程度上抑制了由于電阻不匹配而引起的振蕩現(xiàn)象。

　　1、2 低通濾波器

　　DDS 技術(shù)的原理是將存儲在ROM中的正弦曲線采樣點(diǎn)讀取并經(jīng)過轉(zhuǎn)換與平滑濾波后輸出連續(xù)的正弦波信號。由于采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)以及量化誤差都會(huì)生成噪聲信號，DDS 輸出的模擬信號必須經(jīng)過低通濾波器以濾除附加在較低頻率信號上的高頻數(shù)字偽信號。本設(shè)計(jì)中采用OPA603構(gòu)成一個(gè)二階的巴特沃斯低通濾波器，該低通濾波器的外圍電路簡單易實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的截止頻率為1 MHz的巴特沃斯低通濾波器電路如圖5所示。

　　該低通濾波器的截止頻率的計(jì)算公式為：

　　取R=1。5 kΩ，C=100 pF，根據(jù)公式可得：

　　1、3 電壓-電流轉(zhuǎn)換

　　在該設(shè)計(jì)中使用改進(jìn)型的Howland 電流泵將正弦電壓信號轉(zhuǎn)化為正弦電流信號。Howland 電流泵原理圖如圖6所示。

　　電流泵的輸出電阻Ro = ∞ 。常規(guī)的電壓轉(zhuǎn)換為采用的是并聯(lián)電流負(fù)反饋電路，此電路輸出電壓柔性較差，電壓輸出效率低，因?yàn)槿与娮枰嫉艉艽笠徊糠值碾妷?，并且常?guī)的壓控電流源不能實(shí)現(xiàn)一端接地，這也是并聯(lián)電流負(fù)反饋本身的缺陷。如圖7所示，改進(jìn)型的Howland 電流泵，具有較高的輸出電壓柔性，并且另一端可以接地，較常規(guī)的Howland 電流泵的是，引入了兩個(gè)反饋電流，這樣便于電阻的篩選，并且在一定程度上抑制了由于電阻不匹配而引起的振蕩現(xiàn)象。