【正文】 ，輸出信號的幅度與乘法型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD5445 的參考電壓 VREF 有關(guān)，因此要實現(xiàn)信號幅度的可調(diào)，可以通過調(diào)節(jié)參考電壓VREF 來實現(xiàn)。首先在 CPLD 內(nèi)構(gòu)建一個串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)的器件 ， 如圖 39所示，將接收到串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。要使頻率控制字送到 DDS 的同步寄存器端口，我們需要利用微控制器對其進行送數(shù)，這里我們使用 ARM7 的 SPI 接口與CPLD 連接。本設(shè)計根據(jù)實際要求，采用貝塞爾 (線性 )有源濾波器，放大器選用高速芯片 TL084，當選擇截止頻率為 15KHz時，經(jīng) 過軟件仿真，能滿足系統(tǒng)要求，電路簡單且衰減速率快，其硬件電路見圖 38所示。 信號產(chǎn)生單元所使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器都是美國模擬器件公司 (ADI) 的AD5445， AD5445是 12位的乘法型 DA轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)字輸入值的范圍是0x000H～ 0xFFFH[13]，如圖 37所示， AD5445經(jīng)過運放 A1后，輸出的模擬電壓幅值 VOUT與其參考電壓 VREF的關(guān)系為： nREFOUT DVV 2/??? (31) 因此我們可以通過改變其參考電壓 VREF的大小實現(xiàn)波形信號的幅度控制。為了數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準確性， DAC轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換精度，同時還要考慮所需要的工作頻率，以決定所需要 DAC的轉(zhuǎn)換速度。 哈爾濱理工大學學士學位論文 11 圖 35 32位加法器 Fig. 35 The 32bit adder 4． 模數(shù)轉(zhuǎn)化器 DAC 在 DDS系統(tǒng)中，波形的幅度值被量化成數(shù)字值存儲在 RAM中，通過一組數(shù)據(jù)線輸出代表二進制編碼的電平信號。 哈爾濱理工大學學士學位論文 10 圖 33 兩個 16位同步寄存器構(gòu)成的 32位的輸入及輸出 Fig. 33 The 32bit input and output register posed by two 16bit synchronisms register 圖 34 32位的同步寄存器 Fig. 34 The 32bit synchronism register 2． 加法器 該加法器實現(xiàn)兩路 32位信號的相加，輸出為 32位，高于 32位的部分溢出，原理圖如圖 36所示： 3． 外部 RAM 本設(shè)計使用靜態(tài) RAM —— ICSI61LV6416用于存儲波形數(shù)據(jù)。而后一個同步寄存器用于鎖存 32位的相位累加器的輸出，因此后一個同步寄存器使用一個輸入輸出均為 32位的。由于地址線為 16位，而相位累加器的 輸出為 32位，為了保證它們之間的對應(yīng)，我們將相位累加器的高 16位與外部 RAM的地址線相連。本文所設(shè)計的波形發(fā)生電路根據(jù) DDS原理，設(shè)計上采用層次結(jié)構(gòu)，在 Quartus II中使用原理圖輸入方法，下面就各個部分的設(shè)計分別介紹。系統(tǒng)上電后，由主控 CPU對 RAM進行波形數(shù)據(jù)初始化。系統(tǒng)分別采用兩個 32位 DDS內(nèi)核，產(chǎn)生系統(tǒng)調(diào)制波哈爾濱理工大學學士學位論文 9 (即正弦波 )及載波信號 (即三角波 )。系統(tǒng)采用高速 CPLD—— EPM570 及高性能四象限乘法型 DAC——AD5445 作 為 載 體 ， 利 用 直 接 數(shù) 字 頻 率 合 成 (Direct Digital FrequencySynthesis，簡稱 DDS 或 DDFS)技術(shù)，實現(xiàn)了高精度波形發(fā)生器，實現(xiàn)了精確的頻率控制。具體實現(xiàn)如圖 32所示。因此本文的硬件電路由人機界面和功能實現(xiàn)單元構(gòu)成。本系統(tǒng)以恩智浦 (NXP)公司的 32位ARM7處理器 LPC2214為控制核心，結(jié)合高速復雜可編程邏輯器件 EPM570作為實時邏輯控制單元，達到了較理想的信號采樣、分析處理、波形輸出及相關(guān)控制。 哈爾濱理工大學學士學位論文 8 第 3章 硬件設(shè)計 整個變頻電源系統(tǒng)的框圖如圖 31所示。當相位累加器累加至滿量程時就產(chǎn)生一次計數(shù)溢出，該溢出率即為輸出信號正弦波的頻率[25]。從 RAM中讀取相位累加 器中相位累加值所對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，然后通過 DAC轉(zhuǎn)換芯片將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬量，最后經(jīng)過濾波得到平滑的合成波形信號。其次，將構(gòu)成一個周期的正弦波形數(shù)據(jù)存儲在外部 RAM中，通過相位累計步長采樣相對應(yīng)的正弦波數(shù)據(jù)。開發(fā)工具的通用性、設(shè)計語言的標準化以及設(shè)計過程幾乎與所用器件的結(jié)構(gòu)無關(guān)聯(lián)，使得設(shè)計成功的各類 邏輯功模塊軟件具有良好的兼容性和可移植性，它幾乎可用于任何型號和規(guī)模的可編程邏輯器件中，從而使產(chǎn)品的設(shè)計效率大幅度提高。但是利用通用數(shù)字集成電路實現(xiàn)的 DDS，不僅結(jié)構(gòu)復雜，而且由于調(diào)整數(shù)字電路的高頻和電磁兼容性問題突出，電路設(shè)計也比較困難，其性能很難滿足設(shè)計要求。因此要是使用濾波器濾波來得到平滑的信號。 3． 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬形式信號。若 m=16， M=16，可以算出 RAM 的容量為 64k 16。 2． 正弦查詢表 ROM DDS 查詢表所存儲的數(shù)據(jù)是每一個相位所對應(yīng)的二進制數(shù)字正弦幅值，在每一個時鐘周期內(nèi)，相位累加器輸出序列的高 m 位對其進行尋址，最后的輸出為該相位相對應(yīng)的二進制正弦幅值序列。經(jīng)過一個時鐘周期后變?yōu)?1??n ，則滿足 knn ???? ?1 (23) 由式 23可見， n? 為一等差數(shù)列，不難得出 nkn ???? ? 01 (24) 其中 0? 為相位累加器的初始相位值。 1． 相位累加器 相位累加器是 DDS 最基本的組成部分，用于實現(xiàn)相位的累加并存儲其累加結(jié)果。數(shù)控振蕩器 NCO 實現(xiàn)由數(shù)字頻率值輸入生成相應(yīng)頻率的數(shù)字波形，其工作過程為：首先確定頻率控制字 K，然后在時鐘脈沖 f c 的控制下，該頻率控制字累加至相位累加器生成數(shù)字相位值；最后將相位值 ROM 尋址轉(zhuǎn)換成正弦表中相應(yīng)的數(shù)字幅碼。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)從相位概念出發(fā)，直接對參考正弦信號進行抽樣，得到不同的相位，通過數(shù)字計算技術(shù)產(chǎn)生對應(yīng)的電壓幅度，最后濾波平滑輸出所需頻率波形。 DDS是一種全數(shù)字技術(shù)，它從相位概念出發(fā)直接合成所需頻率。 信 號 產(chǎn) 生單 元控 制 / I G B T驅(qū) 動 板載 波調(diào) 制 波采 樣A / D 采 集主 控 單 元人機界面閉 環(huán) 調(diào) 節(jié)R S 2 3 2U iU d相 檢 測 、 溫 度 檢 測輸 出 圖 21 系統(tǒng)整體框圖 Fig. 21 The basic frame of system 哈爾濱理工大學學士學位論文 5 波形發(fā)生器基本原理 DDS 基本原理 本文所設(shè)計的單相交流程控電源測控系統(tǒng)的功能實現(xiàn)單元所產(chǎn)生的基準信號是根據(jù) DDS原理實現(xiàn)的。系統(tǒng)的整體框圖如圖 21 所示，在該設(shè)計中，反饋回路實現(xiàn)電 壓幅值的閉環(huán)調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 為了使系統(tǒng)輸出的電壓幅值、頻率及其他參數(shù)的精度達到一定的精度等級，本設(shè)計選用高精度波形發(fā)生器和采用閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)以達到上述要求。這種調(diào)制方法得到的輸出電壓基波的頻率和幅值都等于基準正弦波的頻率和幅值。它的生成原理就是以一個正弦波為基準波，和一個等幅值的高頻三角波相比較，由它們的交點來決定逆變器開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)。 哈爾濱理工大學學士學位論文 4 第 2章 系統(tǒng)基本理論 采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量 相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 系統(tǒng)技術(shù)指標 本文的研究內(nèi)容是設(shè)計并實現(xiàn)一種單相交流程控電源測控系統(tǒng)，力求達到更高的實時性和更高的精度。 4．整個系統(tǒng)的軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計法，包括主程序和各功能模塊子程序，使得整個程序設(shè)計靈活、調(diào)試方便，實現(xiàn)了系統(tǒng)基本功能。 3．系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。 2．分析了信號的采樣方法和算法，包括直流和交流采樣兩種。在認真學習、研究和總結(jié)現(xiàn)有變頻電源測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上， 從軟、硬件兩方面了實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。很多的測量算法和波形產(chǎn)生方法不斷被提出，比如哈爾濱理工大學學士學位論文 3 DDS 直接數(shù)字合成技術(shù)等，保證了波形輸出的精確度。同時，若增加具有擴展功能的外圍輔助電路，并采用相應(yīng)的軟件，便可滿足客戶的特定功能需求，靈活性大大提高。 隨著微處理器的可靠性與質(zhì)量的不斷提高，數(shù)字控制已經(jīng)占據(jù)著主導地位。其主要特點是：采用數(shù)字化的模塊控制，電路全集成化、體積小、穩(wěn)定性好、可靠性高，輸出的交流電壓、頻率均可程控或手控，并具有過載保護功能。上述三種方式中，第一、二種都存在穩(wěn)壓精度低，高頻噪聲和波形失真較大等缺點，難 以滿足自動測試設(shè)備的要求，第三種方式的電源效率太低。這種方法的特點是容易實現(xiàn)輸出交流的高精度、高穩(wěn)定度，負載發(fā)生變化，調(diào)整非?？欤淙秉c是電源效率較低，實現(xiàn)大范圍內(nèi)電源調(diào)整需要輸出電壓分檔。該方式輸出功率范圍寬、效率高、可靠性較高，反應(yīng)速度快，頻率可變，但輸出電壓中高頻噪聲和波形失真較大。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，功率可大可小，但可靠性差、反應(yīng)速度慢、穩(wěn)壓精度低，只能輸出與市電頻率一致的電壓。越來越多的人們開始致力于對交流電源設(shè)備的監(jiān)察和測量的研究，并已經(jīng)取得了一定的成果。 單相交流程控電源控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 程控交流電源在電力電子領(lǐng)域中的廣 泛應(yīng)用，使得交流程控電源測控系統(tǒng)尤為重要。另外市場上常見的程控電源還有采用模擬閉環(huán)方式來保證輸出信號的準確度，即在反饋環(huán)節(jié)上通過輸出采樣、精密整流和比較積分等模擬環(huán)節(jié)實現(xiàn) [4]，其硬件設(shè)計復雜，體哈爾濱理工大學學士學位論文 2 積大、笨，并且由于模擬電路的溫漂、時漂的影響，難以達到較高的精度。用 它作為基準激勵源，常常造成測量誤差 [3]。因其只有有限個離散點，所以電壓不能連續(xù)調(diào)節(jié)。雖然目前國內(nèi)外的交流程控電源已經(jīng)發(fā)展到了一定的水平，但是根據(jù)不同系統(tǒng)對電源的不同需求，例如，在電力設(shè)備參數(shù)的高電壓測試中，經(jīng)常需要一種在一定范圍內(nèi)電壓連續(xù)可調(diào)、波形失真小、頻率穩(wěn)定的高壓交流電源作為測量的激勵源。 隨著國內(nèi)企業(yè)對變頻器認識的深入和大量外國產(chǎn)品的入境，我國變頻器市場得以快速啟動。最先進入中國變頻器市場的是日本廠家，1986年我國傳統(tǒng)電機廠開始引進日本的變頻設(shè)計和制造技術(shù)， 1988年日本三肯公司的第一臺低壓變頻器進入中國，較早進入我國市場的還有東芝、三菱等。隨著工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，人們對變頻電源的需求與日俱增，變頻電源的開發(fā)研制生產(chǎn)已經(jīng)成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽產(chǎn)業(yè) [1]。變頻電源自問世以來便引起了國內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注，現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)品。 關(guān)鍵詞 程控電源； DDS； PID 控制 哈爾濱理工大學學士學位論文 II Development of Measuring and Controlling System of Singlephase AC Programmed Power Supply Abstract In recent years, with the development of technology of power electronics and technology of automatic controlling, the performance of variablefrequency power source which is an important part of the power supply is directly related to the security and reliability of the system. In this paper, the measuring and controlling system of singlephase AC programmed power supply is a controlling and measuring system of a highpower frequency conversion power, and its output is the sine power signal that the frequency and amplitude can be adjusted and it can monitor and control the large power signal at the same time. The output of the system is a ideal signal and the amplitude(180V~300V) and the frequency(30Hz~1000Hz) of the signal can be adjusted freely responding to the user’s orders. The max output power is 40KW. In a sense, these characters can meet the demands of the user. So t