一种正弦扫频式恒流源设计

1、第 27卷第 6期增刊 2006年 6月仪 器 仪 表 学 报Vol. 27No. 6J une. 2006一种正弦扫频式恒流源设计3杨宇祥 王珏 牛飞龙 汪宏武(生物医学信息工程教育部重点实验室 西安交通大学生命科学与技术学院 西安 710049摘 要 高纯度 、 高输出阻抗的正弦恒流源信号是生物电阻抗测量设备的关键部件 。 本文设计了一种具有 1M Hz 带宽的正弦扫频式恒流源 , 其中正弦波形发生器基于 DDS 芯片 AD9833, 采用了新型 L PF 芯片 L TC156021进行低通滤波 ; 电压电流源 转换器在 Howland 电流泵的基础上改进 , 使其具备更高的输出电压柔量

2、。 时钟源和 L PF 采用了电源控制技术 , 可在系统闲 置时关闭电源 。 该恒流源在便携式生物阻抗频谱测量仪的实际应用表明 :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 , 更低的功耗 。 关键词 正弦扫频式恒流源 AD9833 L TC156021 Howland 电流泵 电压柔量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基金项目 :国家自然科学基金 (60271025 资助项目1 引 言在生物组织复阻抗频谱特性测量中 , 恒流源信号 质量是影响系统性能的主要因素之一。 由于生物组织 的特殊性 , 恒流源除了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 ; 另外由于引入生物组织的电流幅值本身就很小 , 很小的偏差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 1; 此外 , 恒流源的输出电流不因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

7、阻抗2。 本文设计了一种正弦扫频式恒流源 , 它具有频率稳定、 变频快速、 幅值稳定 、 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 V I ,V I 经低通滤波器 (L PF 后得到纯净的正弦 波信号 V O 。

8、 V O 经改进的 Howland 电流泵电路进行 第 6期增刊 一种正弦扫频式恒流源设计 163 图 1 恒流源基本结构图V 2I 变换后 , 最终输出具有极高输出阻抗的正弦恒流源信号 I O 。 单片机也可在系统闲置时通过控制引脚 关闭有源晶振和 L PF 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 程、 低功耗的波形发生器。它主要有 10的 D

9、/A 和串行接口组成 , 3种波形。 AD9833, 它拥有 3线 SPI 接口 , 该芯片采用 SOIC 封装 , 功率只有 20mW 3。 正弦波发生电路如图 2所示。图 2中 ,AD9833的输出频率 f OU T 由下式计算 :f OU T=228F MCL K(1式中 :fCODE 表示频率控制字 , 理论上其值可以是 1228-1, 由单片机通过 SPI 接口写入 ;f MC L K 表示时钟频率 ,在本设计中 f MC L K =16106。 DDS 的最大输出频率由 Nyquist 采样定理决定 , 即为 f MC L K /2。 AD9833的频率控制字是 28位 , 所以当

10、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 (LPFDDS 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图 2 正弦

11、波发生电路是一致的 。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 , , 低失真度的正弦 。 本设计中的 L PF 采用了凌特公司的五阶连续时 间低噪声低通椭圆滤波器 L TC156021, 它不需要外部 元件即可构成高性能的截止频率 f C 为 500k Hz 或 1M Hz 的 L PF 。 当引脚 5接 V +时 ,f C =500k Hz ; 引脚 5接 V -时 ,f C =1M Hz 。 L

12、TC156021用 5V 电源供电 , 并具有电源关闭方式 (通过引脚 7控制 4。本文设计 的截止频率为 1M Hz 的椭圆低通滤波器电路如图 3所示。图 3 基于 L TC156021的低通滤波器电路图 3中 L TC156021的输入信号 V I 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 L TC156021进入电源关闭方式。4 电压控制电流源 (VCCS4. 1 H ow land 电流泵Howland 电流泵原理电路如图 4所示。图 4中 ,164 仪 器 仪 表 学 报 第 27卷

13、 当满足平衡条件 :R 3=R 1(2时 , 负载电流 I O 可表示为 :I O =R 4R 3R 2BV 1(3此时 电 流 泵 的 输 出 阻 抗 R O = , 电 压 柔 量(voltage compliance , 即输出电压的可摆动范围 |V L | |V sat |-R 2B (I O+I 1 5。 图 4 Howland 电流泵原理电路4. 2 基于 H ow land 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 :R 3=R 1(4时 , 负载电

14、流 I O 3 的关系 , 输出阻抗 R O =。 图 5所示 VCCS 一方面使 R 2B 从式 (2 的平衡条件 制约中解脱出来 , 仅仅调节 R 2B 即可改变输出电流 I O , 也不会破坏电路的平衡条件 ; 另一方面也使 VCCS 输 出电压 V L 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 |V L | |V sat |-R 2B I O , 原 因是图 5中运放 A2、 A3使得电阻 R 2B 流过的电流仅仅 是输出电流 I O 。 图 5 基于 Howland 电流泵的 VCCS5 结 论本文设计的正弦扫频式恒流源采用 DDS 芯片AD9

15、833, 频 率 设 置 快 速 方 便 灵 活 ; 新 型 滤 波 芯 片L TC156021使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 关闭方式的应用使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 6。 参考文献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. 基于运算放大器和模拟集