精密交流电源中的数字控制

根据实现功能的不同，本系统由上位机模块、下位机模块和通信模块三个部分组成。其中上位机模块负责对主电路的全方位监控及对各路参考信号基准源的幅度、频率、相位进行调节；下位机模块由多路高速并行D/A输出精密参考信号；通信模块主管上位机与工控机之间的信息交流以及上位机和下位机之间的数据传送及共享。

2.3 DDS数字波形生成

本系统应用DDS技术实现CPU控制的电源基准波形。其原理框图如图3所示。

图3 DDS原 理 框 图

首先，将单位振幅正弦波的相位在2π弧度内分成2A个点（即最小相间隔θmin=2π/2A）经离散量化后存入ROM，构成正弦表。通过相位累加器把频率码变换成相位取样值。在时钟（基准频率）控制下，相位累加器以Δθ（=nθmin,n=1,2...）为增量递增，其输出的相位数据对ROM寻址，查出的函数值经D/A变换器变换成量化正弦波，经低通滤波器可得正弦波电压。最后输出频率为

f0=K·

式中：f0为时钟频率；

K为频率码；

2A为EPROM存储波形的最大点数。

频率的分辨率为

f0min=

当D/A转换器以每秒Nf速率从寄存器单元取数（N是一个信号周期里的采样点数），输出正弦波频率是f，频率分辨率为f1=（Nf）/2A。如果存的波形点数为p2A，并以整数p为间隔来取数据（从k跳至k＋p）,就可以不改变D/A刷新频率而保持信号频率仍为f。同时输出正弦波的频率分辨率提高了p倍，即f2=（Nf）/p2A。这说明，如果选择一个存储空间比较大的寄存器，就可以克服CPU时钟频率的限制。其实质就是将时间上所面临的困难转到寄存器内存空间上解决。

实际寄存器空间可能仍不够大，可以采用插值等方法解决。由于单片机系统资源的限制，进行插值计算也比较困难。假设输出1Hz时要求的分辨率达到1‰即0.001Hz，EPROM中存有64k波形点，时钟频率为10k，那么实际可达到的分辨率仅为fmin==0.15Hz，远远不能满足要求。因此，本文提出了一个折衷的方法，即虚拟空间法。进行DDS计算时，假设系统有16384k（224）的存储空间（虚拟空间，即存储的正弦波点数）。

频率控制码：K=fo＊224/fclk（fo，fclk分别为D/A输出和计算机时钟的频率）每累加一次，将相位累加器的低8位舍去后作为相位地址传给下位机，下位机再依此地址在64k（216）EEPROM中取数送D/A输出。当相位累加器的第8位没有发生变化（进位加1），则仍保持上一次的地址值输出（相当于四舍五入），而下位机也仍然取同一地址中的值输出。通过四舍五入的办法用最近的点代替实际输出，精度上能符合要求，且大大简化了程序，并且用较小的存储空间实现了高精度的波形合成，将输出分辨率提高到fmin===0.0006Hz，比原来增加了250多倍。图4为波形合成的系统结构。

图4 DDS实 现 的 系 统 结 构

由上位机（CPU）根据工控机传送来的工作参数，按DDS原理进行计算，得到各点的相位地址，通过双口RAM送给下位机。同时将相应幅值通过D/A-Ⅱ输出作为下位机D/A-Ⅰ的参考电压。下位机（CPU）D/A-Ⅰ以一定的刷新频率（时钟频率）对各路进行查表，输出所需要的可调幅、调频、调相的正弦波形。正弦波数据被存在空间大小为32k的EEPROM中（实际存储1/2周期波形）。

2.4 提高精度的其它手段

1）利用数字电位器为DC/DC变换器提供参考信号，产生协调直流母线电压的控制信号。XICOR公司的X9241数字电位器具有四个非易失性数控电位器，利用I/O口模拟I2C总线，能十分方便地对主电路母线电压进行调节。目前本文实验的交流输出幅值（x）与数字电位器输出值（y）之间的关系为y=ax＋b，输出的直流给定信号与交流输出成线性关系，使逆变级母线电压与输出值随时匹配，大幅压缩了输出级的开关纹波。输出偏置值b使得输出低电压、电流值时母线电压仍能保证输出级正常工作。

2）利用切换传感器采样电阻可以改变采样范围，对输出进行分级管理。通过8255扩展I/O口设置分档标志，将输出分成若干档。例如，三相可调电压源输出范围为2～100V，则根据精度要求分为两档，2～30V和30～100V。本系统幅度控制D/A分辨率为212，每档分辨率均可达到1/212，即调节细度最小能达到0.0005V。将单片机资源和硬件电路资源充分结合，大大提高了系统调幅精度。

3 实验结果

3.1 电源达到的技术指标

1)频率范围 0.2～400Hz，调节细度1‰；