一種利用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的變頻電源

摘    要：本文介紹了一種利用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的變頻電源。方法簡(jiǎn)單可行，調(diào)試、維護(hù)都很方便，其波形的諧波含量低，頻率準(zhǔn)確度高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)。
關(guān)鍵詞： DDS；變頻；單片機(jī)

引言
傳統(tǒng)變頻電源的實(shí)現(xiàn)主要包括整流、逆變、濾波等幾個(gè)部分，不管是設(shè)計(jì)還是調(diào)試、維護(hù)都十分不便。本文介紹一種利用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的變頻電源。
DDS芯片多為ASIC，采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。其主要用在接收機(jī)本振、信號(hào)發(fā)生器、儀器、通信系統(tǒng)以及雷達(dá)系統(tǒng)中的信號(hào)生成。本文提出了一種利用單片機(jī)資源，以軟件的方式來(lái)生成，并將其用于小功率測(cè)量電源，從而得到一種簡(jiǎn)單可行的變頻電源方案。

設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)
圖1為DDS技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)圖，頻率控制字FC(Frequence Control)控制合成波形頻率。時(shí)鐘源以頻率fc發(fā)出脈沖。當(dāng)一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，N位相位寄存器PR(Phase Register)以步長(zhǎng)FC增加。其結(jié)果作為查找表LUT(Look Up Table)的尋址地址。LUT內(nèi)存有一個(gè)完整周期波形的數(shù)字幅值信息。每個(gè)LUT存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)的某一個(gè)相位點(diǎn)。查找表把輸入的地址信息映射成合成波形的幅值信號(hào)，輸入到DAC。經(jīng)過(guò)DAC，就可以得到要合成的波形。FC實(shí)際上是每個(gè)時(shí)鐘期間波形的相位增量，控制FC，就可以控制輸出波形的頻率。
PR每經(jīng)過(guò)2N/M個(gè)時(shí)鐘周期后回到初始狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的DAC也輸出了一個(gè)波形。輸出波形的周期為T(mén)=(2N/FC)Tc，頻率為f=(FC/2N)fc。DDS的最小分辨率為fr=fc/2N。
本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)DDS，整個(gè)設(shè)計(jì)的框架如圖２所示。
生成一個(gè)周期的正弦波幅值數(shù)據(jù)存在單片機(jī)的ROM中作為L(zhǎng)UT，單片機(jī)控制時(shí)鐘將每一個(gè)相位點(diǎn)的數(shù)據(jù)依次通過(guò)I/O口輸出，調(diào)整每?jī)蓚€(gè)取樣點(diǎn)的時(shí)鐘間隔及相位，就可以控制每個(gè)周期的時(shí)長(zhǎng)，從而達(dá)到頻率可調(diào)的目的。從單片機(jī)I/O口輸出的是數(shù)字信號(hào)，將該信號(hào)接DAC就可以合成正弦波，從而還原正弦信號(hào)。將得到的正弦波(準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)該是階梯波)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器，就得到了質(zhì)量很好，頻率精度高的正弦信號(hào)。該信號(hào)還只是弱電信號(hào)，將該信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大模塊，就可以得到頻率可調(diào)的正弦波了。

實(shí)例介紹
下面以設(shè)計(jì)的變頻式接地電阻測(cè)量?jī)x電源為例介紹整個(gè)方法。該電源要求輸出波頻率在25~100Hz可調(diào)、頻率分辨率為1Hz、輸出功率在100~1000W之間。其硬件原理如圖3所示(不包括功率放大模塊)。
合成正弦波的頻率為f=(FC/2N)fc?？梢?jiàn)，調(diào)整相位增量FC/2N或時(shí)鐘頻率fc的大小都可以達(dá)到調(diào)整輸出波形頻率的目的。一般DDS技術(shù)都采用固定fc、調(diào)節(jié)相位增量的方法。這是因?yàn)橄辔辉隽烤鶆蚩烧{(diào)，生成波形頻率分辨率高。只要提高N的大小，就可以無(wú)限次提高頻率分辨率，這樣，生成的正弦波頻率連續(xù)可調(diào)且頻率分辨率高。而fc一般通過(guò)將基頻分頻得到，調(diào)節(jié)分頻系數(shù)并不能連續(xù)調(diào)整fc，得到的頻率只能離散不均勻地分布在整個(gè)頻率空間。舉個(gè)例子，基頻為62.5KHz，要產(chǎn)生6KHz的fc，分頻系數(shù)選用10或11，得到fc為6250Hz或5681Hz。這種方法頻率分辨率為fr=fc/N(N+1)，在N從10變到11時(shí)，fr=568Hz；N從1000變到1001時(shí)，fr=0.0624Hz。在高頻部分，頻率連續(xù)性很差，在低頻部分，頻率連續(xù)性還是不錯(cuò)的。
但是通過(guò)觀察固定fc、調(diào)節(jié)相位增量的方法，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其分辨率為fr=fc/2N，如果提高分辨率，就必須增加N值，這樣，就需要容量為2N的LUT，占用大量的存儲(chǔ)空間。解決的方法可以采用PR的數(shù)據(jù)寬度大于LUT地址寬度的方法，但這樣勢(shì)必會(huì)引進(jìn)相位截尾誤差。
本設(shè)計(jì)中，由于合成正弦波頻率較低，采用了固定相位增量，調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率fc的方法來(lái)調(diào)節(jié)頻率。時(shí)鐘信號(hào)由中斷產(chǎn)生，采用定時(shí)器中斷作為中斷源。實(shí)際上工作的fc由單片機(jī)工作的時(shí)鐘分頻得來(lái)，單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率高達(dá)1MHz，所以頻率分辨率極高。調(diào)節(jié)fc實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很簡(jiǎn)單，只用改變定時(shí)器定時(shí)值就可中斷間隔，從而達(dá)到調(diào)整fc的目的。單片機(jī)中斷程序的流程如圖4所示。在設(shè)計(jì)中，每個(gè)正弦波周期平均取64個(gè)相位點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)采用8位精度。單片機(jī)選用普通的51單片機(jī)，晶振選用12MHz，DAC選用8位的DAC0832。電路中，單片機(jī)將合成的正弦信號(hào)幅值數(shù)據(jù)依次從P1口輸出。然后經(jīng)過(guò)雙極性D/A轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過(guò)一個(gè)三階Butterworth濾波器濾波后就得到了頻率可調(diào)的正弦信號(hào)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到了25Hz、50Hz和100Hz等各個(gè)頻率的正弦波，得到的波形良好，頻率誤差不超過(guò)0.1%，經(jīng)過(guò)濾波后得到的正弦波諧波分量小于1％，總體滿足了要求。

結(jié)語(yǔ)
總體來(lái)說(shuō)，這種實(shí)現(xiàn)變頻電源的方法簡(jiǎn)單可行，調(diào)試、維護(hù)都很方便，得到的波形也很理想，諧波含量低，頻率準(zhǔn)確度高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)。但是，這種方法也有一個(gè)很大的局限性，即受到功放模塊的放大限制。輸出功率比較小，比較適合用在對(duì)功率要求不高的場(chǎng)合，比如一些測(cè)量?jī)x器，智能儀器需要的變頻電源?！?/P>

參考文獻(xiàn)
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