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基于DDS的励磁恒流源设计

作者:时间:2011-07-14来源:网络收藏

摘要 针对某型磁性材料性能测试仪激励恒流源的具体要求,采用了直接数字频率合成技术的信号发生器方法,重点研究了由FPGA信号发生器的系统原理、硬件构成,以及在Quartus开发环境下。采用硬件描述语言Verilog HDL完成信号发生器的累加器、波形存储表、幅度控制及滤波控制功能,并使用Modelsim进行仿真分析。实验结果表明,该信号发生器能较好地产生所需激励信号,符合设计技术指标。
关键词 直接数字频率合成;现场可编程门阵列;信号源;磁性测量

随着信息技术的发展,磁性材料广泛运用于通信、电力、信息、交通等领域中。磁滞回线是磁性材料中重要的磁性参数之一,是铁磁材料的本质特征。通常运用于与磁性材料有关的计算和研究中,对工业生产和科学研究具有重要的指导意义。材料的磁滞回线通过B-H测试仪可以测量得到,测试仪以电磁感应原理为基础,通过电源对软磁材料样品的初级绕组加一定频率和幅度的电流,次级绕组两端将会产生感应电动势,对初级电流和次级感应电动势实施同步实时采样。根据安培环路定理和电磁感应定理计算磁场强度H和磁感应强度B,进而可以计算动态回线,动态磁化曲线、铁损、动态磁导率等参数。信号源主要包括正弦信号发生电路和功放电路两部分。目前励磁电源信号发生部分通常采用直接频率合成技术,主要功能电路由压控振荡器(VCO)、倍频器、分频器、混频器和滤波器等构成,整个系统采用开环控制,即输入设定值→频率合成→功率放大→输出励磁电流。这种结构给励磁电源带来以下不足:(1)由于采用外部压控振荡器,励磁信号的频率范围受到限制,一般约为50 kHz。(2)系统使用开环控制,系统精度依赖于各组件的精度和稳定性,使得励磁电流的幅度精度和稳定性较差,仪器抗干扰性不强。(3)采用直接频率合成技术,系统中有大量模拟电路,导致系统体积大、重量大、耗电高、可靠性差。
为此,文中提出一种FPGA的信号发生器。信号发生电路采用直接数字频率合成技术,即(Direct Digital Frequency Synth-esis)。它是以全数字技术,从相位概念出发,直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。是将先进的数字处理技术和方法引入信号合成领域,把一系列数字量形式的信号通过数/模转换器转换成模拟信号,在时域中进行频率合成。直接数字频率合成器的主要优点是:输出信号频率相对带宽较宽;频率分辨力好、转换时间快;频率变化时相位保持连续;集成度高,体积小,控制方便等。整个信号源系统采用数字闭环控制,通过对励磁电流瞬时值经PID闭环控制,使得励磁电流可瞬时跟踪给定幅值,加快系统动态响应,提高非线性负载适应力,其较传统的信号源能更好地满足磁性测试设备的需求。

1 DDS的工作原理
DDS的工作原理如图1所示。主要有以下基本部件:相位累加器;相位-幅度变换器,即正弦查表ROM;D/A转换器和适当的滤波器等滤波器。相位累加器是DDS系统的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个相位寄存器组成,相位累加器在参考时钟的作用下,按频率控制字为步长不断累积,累加结果产生递增的传递给正弦查表ROM。正弦查询表中存储了一个周期正弦波在各相位点对应数字幅度信息。由于相位累加器的输出连接在波形存储器(ROM)的地址线上,因此其输出的改变就相当于进行查表。这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值经查找表查出,然后送至D/A转换器,经D/A转换器产生一系列以时钟脉冲为抽样速率的电压阶跃。滤波器则进一步平滑D/A转换器输出的近似正弦波的锯齿阶梯波,同时衰减不必要的杂散信号,使输出为要求的光滑波形。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/156064.htm

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由于相位累加器字长的限制,相位累加器累加到一定值后,其输出将会溢出,这样波形存储器的地址就会循环一次,即意味着输出波形循环一周。故当频率字取不同值,就可以改变相位累加器的溢出时间,从而在时钟频率不变的条件下改变输出频率。
设频率控制字为K,系统参考时钟为fc,相位累加器位数为N,输出频率为fo,则可以得到输入与输出的关系为
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当K=1时,可以得到DDS的频率分辨率
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关键词: 设计 励磁 DDS 基于

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