一種利用DDS技術(shù)實(shí)現的變頻電源

摘    要：本文介紹了一種利用DDS技術(shù)實(shí)現的變頻電源。方法簡(jiǎn)單可行，調試、維護都很方便，其波形的諧波含量低，頻率準確度高，并且能夠實(shí)現頻率連續可調。
關(guān)鍵詞： DDS；變頻；單片機

引言
傳統變頻電源的實(shí)現主要包括整流、逆變、濾波等幾個(gè)部分，不管是設計還是調試、維護都十分不便。本文介紹一種利用DDS技術(shù)實(shí)現的變頻電源。
DDS芯片多為ASIC，采用硬件來(lái)實(shí)現其功能。其主要用在接收機本振、信號發(fā)生器、儀器、通信系統以及雷達系統中的信號生成。本文提出了一種利用單片機資源，以軟件的方式來(lái)生成，并將其用于小功率測量電源，從而得到一種簡(jiǎn)單可行的變頻電源方案。

設計原理及結構
圖1為DDS技術(shù)的基本結構圖，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。當一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，N位相位寄存器PR(Phase Register)以步長(cháng)FC增加。其結果作為查找表LUT(Look Up Table)的尋址地址。LUT內存有一個(gè)完整周期波形的數字幅值信息。每個(gè)LUT存儲單元對應一個(gè)周期內的某一個(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，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)，對應的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。
本設計利用單片機軟件來(lái)實(shí)現DDS，整個(gè)設計的框架如圖２所示。
生成一個(gè)周期的正弦波幅值數據存在單片機的ROM中作為L(cháng)UT，單片機控制時(shí)鐘將每一個(gè)相位點(diǎn)的數據依次通過(guò)I/O口輸出，調整每?jì)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(cháng)，從而達到頻率可調的目的。從單片機I/O口輸出的是數字信號，將該信號接DAC就可以合成正弦波，從而還原正弦信號。將得到的正弦波(準確的說(shuō)應該是階梯波)信號經(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。該信號還只是弱電信號，將該信號經(jīng)過(guò)功率放大模塊，就可以得到頻率可調的正弦波了。

實(shí)例介紹
下面以設計的變頻式接地電阻測量?jì)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、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)，調整相位增量FC/2N或時(shí)鐘頻率fc的大小都可以達到調整輸出波形頻率的目的。一般DDS技術(shù)都采用固定fc、調節相位增量的方法。這是因為相位增量均勻可調，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可調且頻率分辨率高。而fc一般通過(guò)將基頻分頻得到，調節分頻系數并不能連續調整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，頻率連續性很差，在低頻部分，頻率連續性還是不錯的。
但是通過(guò)觀(guān)察固定fc、調節相位增量的方法，就會(huì )發(fā)現其分辨率為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，占用大量的存儲空間。解決的方法可以采用PR的數據寬度大于LUT地址寬度的方法，但這樣勢必會(huì )引進(jìn)相位截尾誤差。
本設計中，由于合成正弦波頻率較低，采用了固定相位增量，調節時(shí)鐘頻率fc的方法來(lái)調節頻率。時(shí)鐘信號由中斷產(chǎn)生，采用定時(shí)器中斷作為中斷源。實(shí)際上工作的fc由單片機工作的時(shí)鐘分頻得來(lái)，單片機定時(shí)器計數頻率高達1MHz，所以頻率分辨率極高。調節fc實(shí)現起來(lái)也很簡(jiǎn)單，只用改變定時(shí)器定時(shí)值就可中斷間隔，從而達到調整fc的目的。單片機中斷程序的流程如圖4所示。在設計中，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。單片機選用普通的51單片機，晶振選用12MHz，DAC選用8位的DAC0832。電路中，單片機將合成的正弦信號幅值數據依次從P1口輸出。然后經(jīng)過(guò)雙極性D/A轉換，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的正弦信號。通過(guò)實(shí)驗，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(mǎn)足了要求。

結語(yǔ)
總體來(lái)說(shuō)，這種實(shí)現變頻電源的方法簡(jiǎn)單可行，調試、維護都很方便，得到的波形也很理想，諧波含量低，頻率準確度高，并且能夠實(shí)現頻率連續可調。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，比較適合用在對功率要求不高的場(chǎng)合，比如一些測量?jì)x器，智能儀器需要的變頻電源?！?/P>

參考文獻
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