一種利用DDS技術實現(xiàn)的變頻電源

摘    要：本文介紹了一種利用DDS技術實現(xiàn)的變頻電源。方法簡單可行，調(diào)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?qū)崿F(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)。
關鍵詞： DDS；變頻；單片機

引言
傳統(tǒng)變頻電源的實現(xiàn)主要包括整流、逆變、濾波等幾個部分，不管是設計還是調(diào)試、維護都十分不便。本文介紹一種利用DDS技術實現(xiàn)的變頻電源。
DDS芯片多為ASIC，采用硬件來實現(xiàn)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(tǒng)以及雷達系統(tǒng)中的信號生成。本文提出了一種利用單片機資源，以軟件的方式來生成，并將其用于小功率測量電源，從而得到一種簡單可行的變頻電源方案。

設計原理及結構
圖1為DDS技術的基本結構圖，頻率控制字FC(Frequence Control)控制合成波形頻率。時鐘源以頻率fc發(fā)出脈沖。當一個脈沖到來時，N位相位寄存器PR(Phase Register)以步長FC增加。其結果作為查找表LUT(Look Up Table)的尋址地址。LUT內(nèi)存有一個完整周期波形的數(shù)字幅值信息。每個LUT存儲單元對應一個周期內(nèi)的某一個相位點。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DAC，就可以得到要合成的波形。FC實際上是每個時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2N/M個時鐘周期后回到初始狀態(tài)，對應的DAC也輸出了一個波形。輸出波形的周期為T=(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實現(xiàn)DDS，整個設計的框架如圖２所示。
生成一個周期的正弦波幅值數(shù)據(jù)存在單片機的ROM中作為LUT，單片機控制時鐘將每一個相位點的數(shù)據(jù)依次通過I/O口輸出，調(diào)整每兩個取樣點的時鐘間隔及相位，就可以控制每個周期的時長，從而達到頻率可調(diào)的目的。從單片機I/O口輸出的是數(shù)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(準確的說應該是階梯波)信號經(jīng)過濾波器，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)過功率放大模塊，就可以得到頻率可調(diào)的正弦波了。

實例介紹
下面以設計的變頻式接地電阻測量儀電源為例介紹整個方法。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。可見，調(diào)整相位增量FC/2N或時鐘頻率fc的大小都可以達到調(diào)整輸出波形頻率的目的。一般DDS技術都采用固定fc、調(diào)節(jié)相位增量的方法。這是因為相位增量均勻可調(diào)，生成波形頻率分辨率高。只要提高N的大小，就可以無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頻率空間。舉個例子，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，fr=568Hz；N從1000變到1001時，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)性還是不錯的。
但是通過觀察固定fc、調(diào)節(jié)相位增量的方法，就會發(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，但這樣勢必會引進相位截尾誤差。
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(diào)節(jié)時鐘頻率fc的方法來調(diào)節(jié)頻率。時鐘信號由中斷產(chǎn)生，采用定時器中斷作為中斷源。實際上工作的fc由單片機工作的時鐘分頻得來，單片機定時器計數(shù)頻率高達1MHz，所以頻率分辨率極高。調(diào)節(jié)fc實現(xiàn)起來也很簡單，只用改變定時器定時值就可中斷間隔，從而達到調(diào)整fc的目的。單片機中斷程序的流程如圖4所示。在設計中，每個正弦波周期平均取64個相位點，每個點采用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(shù)據(jù)依次從P1口輸出。然后經(jīng)過雙極性D/A轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過一個三階Butterworth濾波器濾波后就得到了頻率可調(diào)的正弦信號。通過實驗，得到了25Hz、50Hz和100Hz等各個頻率的正弦波，得到的波形良好，頻率誤差不超過0.1%，經(jīng)過濾波后得到的正弦波諧波分量小于1％，總體滿足了要求。

結語
總體來說，這種實現(xiàn)變頻電源的方法簡單可行，調(diào)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?qū)崿F(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)。但是，這種方法也有一個很大的局限性，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合，比如一些測量儀器，智能儀器需要的變頻電源。■

參考文獻
1 黃俊 王兆安. 電力電子變流技術. 機械工業(yè)出版社，1993
2 盧紅. 電氣傳動. 一種新型的電流跟蹤型SPWM逆變器的研制. 1993
3 段學威 劉年寶. 直接數(shù)字合成技術的應用. 上海航天出版社，1996