基于DDS芯片AD9833的高性能正弦扫频式恒流源设计

基于基于DDS芯片芯片AD9833的高性能正弦扫频式恒流源设计的高性能正弦扫频式恒流源设计

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

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。

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。

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。