基于DDS的勵(lì)磁恒流源設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)某型磁性材料性能測(cè)試儀激勵(lì)恒流源的具體要求，采用了基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)研究了由FPGA設(shè)計(jì)DDS信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理、硬件構(gòu)成，以及在Quartus開發(fā)環(huán)境下。采用硬件描述語言Verilog HDL完成信號(hào)發(fā)生器的累加器、波形存儲(chǔ)表、幅度控制及濾波控制功能，并使用Modelsim進(jìn)行仿真分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該信號(hào)發(fā)生器能較好地產(chǎn)生所需激勵(lì)信號(hào)，符合設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞 直接數(shù)字頻率合成；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；信號(hào)源；磁性測(cè)量

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，磁性材料廣泛運(yùn)用于通信、電力、信息、交通等領(lǐng)域中。磁滯回線是磁性材料中重要的磁性參數(shù)之一，是鐵磁材料的本質(zhì)特征。通常運(yùn)用于與磁性材料有關(guān)的計(jì)算和研究中，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究具有重要的指導(dǎo)意義。材料的磁滯回線通過B-H測(cè)試儀可以測(cè)量得到，測(cè)試儀以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，通過勵(lì)磁電源對(duì)軟磁材料樣品的初級(jí)繞組加一定頻率和幅度的電流，次級(jí)繞組兩端將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)初級(jí)勵(lì)磁電流和次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)施同步實(shí)時(shí)采樣。根據(jù)安培環(huán)路定理和電磁感應(yīng)定理計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，進(jìn)而可以計(jì)算動(dòng)態(tài)回線，動(dòng)態(tài)磁化曲線、鐵損、動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率等參數(shù)。勵(lì)磁信號(hào)源主要包括正弦信號(hào)發(fā)生電路和功放電路兩部分。目前勵(lì)磁電源信號(hào)發(fā)生部分通常采用直接頻率合成技術(shù)，主要功能電路由壓控振蕩器(VCO)、倍頻器、分頻器、混頻器和濾波器等構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)采用開環(huán)控制，即輸入設(shè)定值→頻率合成→功率放大→輸出勵(lì)磁電流。這種結(jié)構(gòu)給勵(lì)磁電源帶來以下不足：(1)由于采用外部壓控振蕩器，勵(lì)磁信號(hào)的頻率范圍受到限制，一般約為50 kHz。(2)系統(tǒng)使用開環(huán)控制，系統(tǒng)精度依賴于各組件的精度和穩(wěn)定性，使得勵(lì)磁電流的幅度精度和穩(wěn)定性較差，儀器抗干擾性不強(qiáng)。(3)采用直接頻率合成技術(shù)，系統(tǒng)中有大量模擬電路，導(dǎo)致系統(tǒng)體積大、重量大、耗電高、可靠性差。
為此，文中提出一種基于FPGA的DDS信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生電路采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，即DDS(Direct Digital Frequency Synth-esis)。它是以全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)，直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。是將先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)和方法引入信號(hào)合成領(lǐng)域，把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過數(shù)／模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，在時(shí)域中進(jìn)行頻率合成。直接數(shù)字頻率合成器的主要優(yōu)點(diǎn)是：輸出信號(hào)頻率相對(duì)帶寬較寬；頻率分辨力好、轉(zhuǎn)換時(shí)間快；頻率變化時(shí)相位保持連續(xù)；集成度高，體積小，控制方便等。整個(gè)信號(hào)源系統(tǒng)采用數(shù)字閉環(huán)控制，通過對(duì)勵(lì)磁電流瞬時(shí)值經(jīng)PID閉環(huán)控制，使得勵(lì)磁電流可瞬時(shí)跟蹤給定幅值，加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高非線性負(fù)載適應(yīng)力，其較傳統(tǒng)的信號(hào)源能更好地滿足磁性測(cè)試設(shè)備的需求。

1 DDS的工作原理
DDS的工作原理如圖1所示。主要有以下基本部件：相位累加器；相位-幅度變換器，即正弦查表ROM；D／A轉(zhuǎn)換器和適當(dāng)?shù)臑V波器等濾波器。相位累加器是DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)相位寄存器組成，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下，按頻率控制字為步長不斷累積，累加結(jié)果產(chǎn)生遞增的傳遞給正弦查表ROM。正弦查詢表中存儲(chǔ)了一個(gè)周期正弦波在各相位點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)字幅度信息。由于相位累加器的輸出連接在波形存儲(chǔ)器(ROM)的地址線上，因此其輸出的改變就相當(dāng)于進(jìn)行查表。這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值經(jīng)查找表查出，然后送至D／A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一系列以時(shí)鐘脈沖為抽樣速率的電壓階躍。濾波器則進(jìn)一步平滑D／A轉(zhuǎn)換器輸出的近似正弦波的鋸齒階梯波，同時(shí)衰減不必要的雜散信號(hào)，使輸出為要求的光滑波形。

由于相位累加器字長的限制，相位累加器累加到一定值后，其輸出將會(huì)溢出，這樣波形存儲(chǔ)器的地址就會(huì)循環(huán)一次，即意味著輸出波形循環(huán)一周。故當(dāng)頻率字取不同值，就可以改變相位累加器的溢出時(shí)間，從而在時(shí)鐘頻率不變的條件下改變輸出頻率。
設(shè)頻率控制字為K，系統(tǒng)參考時(shí)鐘為fc，相位累加器位數(shù)為N，輸出頻率為fo，則可以得到輸入與輸出的關(guān)系為

當(dāng)K=1時(shí)，可以得到DDS的頻率分辨率