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一种利用DDS技术实现的变频电源

发布时间:2020-07-21 17:49:01 阅读: 来源:ABS厂家

摘 要:本文介绍了一种利用DDS技术实现的变频电源。方法简单可行,调试、维护都很方便,其波形的谐波含量低,频率准确度高,并且能够实现频率连续可调。关键词: DDS;变频;单片机

引言传统变频电源的实现主要包括整流、逆变、滤波等几个部分,不管是设计还是调试、维护都十分不便。本文介绍一种利用DDS技术实现的变频电源。DDS芯片多为ASIC,采用硬件来实现其功能。其主要用在接收机本振、信号发生器、仪器、通信系统以及雷达系统中的信号生成。本文提出了一种利用单片机资源,以软件的方式来生成,并将其用于小功率测量电源,从而得到一种简单可行的变频电源方案。

设计原理及结构 图1为DDS技术的基本结构图,频率控制字FC(Frequence Control)控制合成波形频率。时钟源以频率fc发出脉冲。当一个脉冲到来时,N位相位寄存器PR(Phase Register)以步长FC增加。其结果作为查找表LUT(Look Up Table)的寻址地址。LUT内存有一个完整周期波形的数字幅值信息。每个LUT存储单元对应一个周期内的某一个相位点。查找表把输入的地址信息映射成合成波形的幅值信号,输入到DAC。经过DAC,就可以得到要合成的波形。FC实际上是每个时钟期间波形的相位增量,控制FC,就可以控制输出波形的频率。PR每经过2N/M个时钟周期后回到初始状态,对应的DAC也输出了一个波形。输出波形的周期为T=(2N/FC)Tc,频率为f=(FC/2N)fc。DDS的最小分辨率为fr=fc/2N。本设计利用单片机软件来实现DDS,整个设计的框架如图2所示。生成一个周期的正弦波幅值数据存在单片机的ROM中作为LUT,单片机控制时钟将每一个相位点的数据依次通过I/O口输出,调整每两个取样点的时钟间隔及相位,就可以控制每个周期的时长,从而达到频率可调的目的。从单片机I/O口输出的是数字信号,将该信号接DAC就可以合成正弦波,从而还原正弦信号。将得到的正弦波(准确的说应该是阶梯波)信号经过滤波器,就得到了质量很好,频率精度高的正弦信号。该信号还只是弱电信号,将该信号经过功率放大模块,就可以得到频率可调的正弦波了。

实例介绍下面以设计的变频式接地电阻测量仪电源为例介绍整个方法。该电源要求输出波频率在25~100Hz可调、频率分辨率为1Hz、输出功率在100~1000W之间。其硬件原理如图3所示(不包括功率放大模块)。合成正弦波的频率为f=(FC/2N)fc。可见,调整相位增量FC/2N或时钟频率fc的大小都可以达到调整输出波形频率的目的。一般DDS技术都采用固定fc、调节相位增量的方法。这是因为相位增量均匀可调,生成波形频率分辨率高。只要提高N的大小,就可以无限次提高频率分辨率,这样,生成的正弦波频率连续可调且频率分辨率高。而fc一般通过将基频分频得到,调节分频系数并不能连续调整fc,得到的频率只能离散不均匀地分布在整个频率空间。举个例子,基频为62.5KHz,要产生6KHz的fc,分频系数选用10或11,得到fc为6250Hz或5681Hz。这种方法频率分辨率为fr=fc/N(N+1),在N从10变到11时,fr=568Hz;N从1000变到1001时,fr=0.0624Hz。在高频部分,频率连续性很差,在低频部分,频率连续性还是不错的。但是通过观察固定fc、调节相位增量的方法,就会发现其分辨率为fr=fc/2N,如果提高分辨率,就必须增加N值,这样,就需要容量为2N的LUT,占用大量的存储空间。解决的方法可以采用PR的数据宽度大于LUT地址宽度的方法,但这样势必会引进相位截尾误差。本设计中,由于合成正弦波频率较低,采用了固定相位增量,调节时钟频率fc的方法来调节频率。时钟信号由中断产生,采用定时器中断作为中断源。实际上工作的fc由单片机工作的时钟分频得来,单片机定时器计数频率高达1MHz,所以频率分辨率极高。调节fc实现起来也很简单,只用改变定时器定时值就可中断间隔,从而达到调整fc的目的。单片机中断程序的流程如图4所示。在设计中,每个正弦波周期平均取64个相位点,每个点采用8位精度。单片机选用普通的51单片机,晶振选用12MHz,DAC选用8位的DAC0832。电路中,单片机将合成的正弦信号幅值数据依次从P1口输出。然后经过双极性D/A转换,在经过一个三阶Butterworth滤波器滤波后就得到了频率可调的正弦信号。通过实验,得到了25Hz、50Hz和100Hz等各个频率的正弦波,得到的波形良好,频率误差不超过0.1%,经过滤波后得到的正弦波谐波分量小于1%,总体满足了要求。

结语总体来说,这种实现变频电源的方法简单可行,调试、维护都很方便,得到的波形也很理想,谐波含量低,频率准确度高,并且能够实现频率连续可调。但是,这种方法也有一个很大的局限性,即受到功放模块的放大限制。输出功率比较小,比较适合用在对功率要求不高的场合,比如一些测量仪器,智能仪器需要的变频电源。■

参考文献1 黄俊 王兆安. 电力电子变流技术. 机械工业出版社,19932 卢红. 电气传动. 一种新型的电流跟踪型SPWM逆变器的研制. 19933 段学威 刘年宝. 直接数字合成技术的应用. 上海航天出版社,1996

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