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基於DDS三相數字信號源的設計

admin @ 2014-03-26 , reply:0

概述

1引言   在現代電子系統的測試應用中,信號源是必不可少的。根據不同系統對信號的不同需求,人們希望信號源輸出波形信號的幅值、頻率可調,且頻率準確、穩定;甚至在一些情況下還……

1 引言
    在現代電子系統的測試應用中,信號源是必不可少的。根據不同系統對信號的不同需求,人們希望信號源輸出波形信號的幅值、頻率可調,且頻率準確、穩定;甚至在一些情況下還希望信號源能夠輸出相位關係確定的多路波形信號。因此,傳統模擬信號源已遠遠不能滿足目前電子設計要求,而是直接採用數字合成技術產生的全數字化信號源。以數字化為基礎的程式控制化、智能化的信號源,不僅在性能指標上有了質的飛躍,功能上更強大,操作更簡捷。與傳統的直接或間接頻率合成技術相比,直接數字頻率合成(Direct Digital Frequenly Synthesis,簡稱DDS)技術具有頻率解析度高、帶寬輸出相對較寬、頻率轉換速度快、相位變換連續等特點,便於對相位、幅度和頻率的數字調製,能夠滿足數字化信號處理應用要求。

2 DDS基本原理
    直接數字頻率合成(DDS)是一種從相位概念出發直接合成所需頻率波形的新頻率合成技術。其基本思想是:首先將與相位對應的波形幅值數據存儲在單片機ROM 中,通過相位累加器累計步長採樣對應的波形數據。每採樣一次數據,相位累加器的輸出就增加一個步長的相位增加量△K,相位增加量由頻率控制字確定。存儲在ROM中的信號波形數據表包含產生信號的一個完整周期的幅值和相位。從ROM中讀取相位累加器的相位累加值對應的波形幅值,通過D/A轉換器將該數據轉換成相應的模擬量,再經過濾波得到平滑的合成波形信號。相位累加器的相位累加為循環迭加,這樣可使輸出信號的相位連續。當相位累加器累加至滿量程時,產生一次計數溢出,該溢出率即為輸出信號頻率。DDS基本原理框圖如圖1所示。
 
    如果相位累加器的位數為N,頻率控制字內的相位增量為K,參考時鐘頻率為fclk,則DDS系統輸出信號頻率fout為:
fout=fclk×K/2N(1)
輸出信號的頻率解析度△fout為:
△fout=fclk/2N (2)

3 信號源硬體設計
    目前,實現DDS造波的方法主要有兩種:一種是採用DDS專用器件,另一種是在DDS原理基礎上利用軟體模擬。信號源可產生三相正弦交流信號,鑒於其成本和實現的靈活性,本設計採用第二種方法,其系統硬體框圖如圖2所示。系統採用上位機與下位機配合工作來實現。上位機利用CVI軟體編程.為用戶提供自設定信號頻率的友好界面,並採用RS-232串口通信協議或USB通信協議來實現與單片機通信;下位單片機C8051F005由程序控制其內部的兩路D/A 和外部的單路D/A轉換器DAC7512共同產生三相交流信號;外圍電路再配以差動放大、基準電壓調節、低通濾波和功率驅動等電路模塊,實現信號的調理和功率驅動。
 
3.1 信號產生模塊
    信號產生模塊用於輸出三路頻率相同、相差120°的正弦波。其中前兩路正弦信號由C8051F005單片機內部集成的D/A轉換器產生,該內置D/A轉換器是兩路12位電壓方式的D/A轉換器,數字輸入值範圍為0x000H~0xFFFH,其對應輸出的模擬電壓幅值為0 V~VREF-1LSB V(VREF參考電壓為+5 V),1LSB的電壓幅值即為5/4 096 V。程序將不同相位查表取出的相應波形幅值數據送給D/A轉換器,從而產生所需信號; 第三路正弦信號則由外部DAC7512產生.利用單片機的3個I/O埠分別作為DAC7512片選、時鐘和數據輸入的控制埠,同樣通過程序提取不同相位對應的波形幅值數據控制DAC7512輸出正弦信號。然後同時將這三路相位互差120°的交流電壓信號同時送至波形調節電路,從而產生所需頻率的正弦信號。
3.2 基準調壓電路
    該電路可使正弦信號以0 V為基準電壓,上下對稱、穩定輸出。由於任意一路D/A轉換器輸出的正弦波形幅值變化範圍僅在0 V-5 V,即正弦波的基準電壓為2.5 V。因此,需要給輸出的正弦波形升高一個電壓基準。這裡採用在信號輸出的第二級運算放大器(U1B)的同相輸入端輸入2.5 V電壓的方法來實現。根據運算放大器的特性,此時U1B的反相輸入端(引腳6)的電壓值也為2.5 V。這樣,當正弦波經過差動放大電路(U1B及其外圍電路R1、R2)和濾波電容C1后,波形輸出端會獲得電壓幅值介於-2.5 V和+2.5 V之間的正弦波形。基準調壓部分電路原理圖如圖3所示。
 
圖3 基準調壓電路
3.3 功率驅動電路
    功率驅動電路信號源輸出功率要求達到30 W,為了保證信號在輸出時有足夠的功率和電壓。這裡採用大功率功率放大模塊對信號功率進行放大。將各個功率放大模塊的性能參數和價格進行比較,選擇採用TDA7294功率放大器件來實現信號的大功率輸出。TDA7294放大器是一款大功率DMOS功放,它具有較寬的工作電壓(20 V~80 V);較高的輸出功率(高達100 W);較寬的頻率輸出範圍(20 Hz~20 MHz);小雜訊和失真以及過熱、短路保護等功能。TDA7294的應用電路如圖4所示,可使交流信號從Vin引腳輸入,經過放大后從Vout 引腳輸出。
 
圖4 TDA7294應用電路

4 信號源軟體設計
    單片機軟體部分具體編程方法為:通過程序循環傳輸D/A轉換器波形的離散幅值數據,模擬基準時鐘的功能;在單片機內部RAM取3個位元組(24位)作為相位累加器;周期波形的幅值在相位上按256份等分,計算出的離散幅值數據組成波形數據表存儲單片機內部ROM 中;程序每循環一次相位累加器累加一個頻率控制字,從而得到一系列的相位值,直到相位累加器溢出,才完成波形一個周期的相位累加;取相位值序列的高8位數據,查ROM錶轉換相位幅值,得到離散波形幅值;幅值序列通過D/A轉換及濾波電路得到輸出波形。計算機向單片機發送頻率控制字文現對輸出波形頻率的控制計算機先將沒置的頻率值轉換為步長,再通過通信介面發送至單片機,單片機採用中斷方式接收命令並更新步長,步長隨波形頻率變化而變化。計算機頻率與步長之間的關係為:
Step=256×Tp×fout (3)
    其中,Step為送入單片機的步長值(24位),256表示每個周期的波形等分為256份;Tp為程序送出一個離散波形數據所需的時間,即程序實現一次循環所需要的時間;fout為輸出波形的頻率值。
    對於12位精度的D/A轉換器,則需將離散波形的數據表格按照高低位形成兩個數據表格,其中一個表格存放高4位的離散波形數據,另外一個存放低8位離散波形數據。這樣在查表時一次需要查出2個表格的相同位置,得到兩個數值。然後通過兩個數據寄存器按照其高低位的順序分別把查到的數據送到3路D/A轉換器中產生正弦波形。由於3相正弦交流信號源的3路正弦波在相位上有120°的相位
差,所以在累加步長之前需要先加一個初相位值。對於12位精度的D/A轉換器,如果0°對應的初相位是0x0000,那麼,120°對應的初相位則是0x0555,240°對應的初相位為0x0AAA。整個下位單片機部分的程序流程圖如圖5所示。
 

5 實驗數據比較結果
    表1為實驗時測得的一些數據,由實驗數據可以看出,在頻率輸出範圍內的精度可達0.005 Hz。

表1 實驗數據頻率對照表
理想頻率值(Hz) 實測頻率值(Hz) 頻率誤差值(Hz) 頻率誤差率(%)
100 99.995 0.005 0.005
400 399.985 0.015 0.003
2000 1999.945 0.065 0.003

6 結束語
    經反覆實驗驗證,信號源的三相功率信號的輸出頻率可在20 Hz~2 MHz之間變換,頻率精度可達到0.01 Hz,經功率放大模塊后輸出電壓可達50 V,輸小功率穩定在35 W以上。本系統電路設計簡單、實用、成本較低。實踐應用證實,其工作可靠、性能良好,具有較好的市場推廣前景。


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