基于DDS技术三相正弦信号发生器的设计与实现(4)

第一章 前言

1.1 基于DDS三相正弦波设计目的及意义

在自动控制系统和测量领域中，三相正弦信号发生器是一种应用非常广泛的信号源。例如程控式电能表校验装置，其基本测量原理是：由功率源产生每个校验点信号，标准表与被校表同时对每个校验点信号进行电能测量，由标准表计算来得到被校表的误差值。

图1 程控式电能表校验装置原理框图

从上面的测量原理中可以看出，功率源产生的信号精度与稳定度，波形失真度和对工频的抑制能力等对校验结果有很大的影响。三相正弦信号源可以满足这一要求[1]。

一个良好的三相正弦信号源所输出的基准正弦信号的幅值和频率应高度稳定，且失真小，带负载能力强，三相对称度好。其还可广泛用于交流异步电机的变频驱动，如变频空调、变频冰箱和变频洗衣机的控制驱动，各类工业水泵、风机的变频驱动，各类不间断电源（UPS）以及其它一些需要三相正弦波形驱动的功率控制电路中。现在，利用直接频率合成(DDS)技术产生的波形信号能很好的满足这些要求。

1.2 DDS研究现状

1971年，美国学者J. Tierncy、C. M. Rader和B. Gold提出了以全数字技术、从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。随着技术和器件工艺水平的提高，一种新的频率合成技术——DDS（Direct Digital Synthesis）直接数字频率合成得到了飞速的发展[2]。

目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查找表，然后通过高速DAC输出已经用数字形式存入的波形幅值。它在相对带宽、频率转换时间、相

位连续性、正交输出、高分辨力等方面具有显著的特性。

国内市场上可以得到的最新数据显示DDS的时钟速率可以达到1GHz，但是据资料显示，采用GaAs（砷化镓）的DDS部件其时钟速率可以达到1.6GHz。目前国内已有多家研究所和院校在此领域从事研究，但目前已经应用于整机的还未见报道。

美军已在许多系统中用其代替传统的VCO，产生高精度、高稳定度的频率源。

1.3 系统设计内容

系统需要完成基于DDS 技术低频可移相三相正弦信号发生器的设计与制作。需要实现以下功能：正弦波频率在1Hz～30KHz范围内任意预置，步进值1Hz；两相间的相位差在0～359°任意预置，步进值1°；频率精度达到0.1%，两相间的相位差精度达到1°；能输出载波频率约为10kHz的调频信号输出，要求调制信号频率在100Hz～1kHz频率范围内可变；在10kΩ负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥10V。

本论文详细讨论了正弦信号和调频信号的产生、频率精确控制、三路移相输出、D/A转换与四阶巴特沃思低通滤波电路、电流电压转换电路、4*4键盘与lcd12864显示器等诸方面软硬件实现方法。嵌入的8051单片机软核负责界面显示、键盘扫描和频率与相位控制字的串行输出。

设计以Cyclone II系列的EP2C5T144C8 FPGA为控制核心，先把欲产生信号波的波形数据存储在FPGA内定制的ROM中，由嵌入在FPGA里的51单片机发出频率控制字和相位控制字来控制输出波形的频率和相位。这里的控制字采用串行方式输出，可大大节约单片机的I/O口资源。

FPGA有丰富内部资源，可以将单片机和整个系统所需数字电路完全集成在芯片内部，可以提高系统的可靠性和集成度。所以利用FPGA 开发嵌入式系统并不会显著增加硬件成本，而且其设计周期短、灵活，适合用于小批量系统，具有广阔的市场价值。