一种利用DDS技术实现的变频电源

摘 要：本文介绍了一种利用DDS技术实现的变频电源。方法简单可行，调试、维护都很方便，其波形的谐波含量低，频率准确度高，并且能够实现频率连续可调。
关键词： DDS；变频；单片机

引言
传统变频电源的实现主要包括整流、逆变、滤波等几个部分，不管是设计还是调试、维护都十分不便。本文介绍一种利用DDS技术实现的变频电源。
DDS芯片多为ASIC，采用硬件来实现其功能。其主要用在接收机本振、信号发生器、仪器、通信系统以及雷达系统中的信号生成。本文提出了一种利用单片机资源，以软件的方式来生成，并将其用于小功率测量电源，从而得到一种简单可行的变频电源方案。

设计原理及结构
图1为DDS技术的基本结构图，频率控制字FC(Frequence Control)控制合成波形频率。时钟源以频率fc发出脉冲。当一个脉冲到来时，N位相位寄存器PR(Phase Register)以步长FC增加。其结果作为查找表LUT(Look Up Table)的寻址地址。LUT内存有一个完整周期波形的数字幅值信息。每个LUT存储单元对应一个周期内的某一个相位点。查找表把输入的地址信息映射成合成波形的幅值信号，输入到DAC。经过DAC，就可以得到要合成的波形。FC实际上是每个时钟期间波形的相位增量，控制FC，就可以控制输出波形的频率。
PR每经过2N/M个时钟周期后回到初始状态，对应的DAC也输出了一个波形。输出波形的周期为T=(2N/FC)Tc，频率为f=(FC/2N)fc。DDS的分辨率为fr=fc/2N。
本设计利用单片机软件来实现DDS，整个设计的框架如图２所示。
生成一个周期的正弦波幅值数据存在单片机的ROM中作为LUT，单片机控制时钟将每一个相位点的数据依次通过I/O口输出，调整每两个取样点的时钟间隔及相位，就可以控制每个周期的时长，从而达到频率可调的目的。从单片机I/O口输出的是数字信号，将该信号接DAC就可以合成正弦波，从而还原正弦信号。将得到的正弦波(准确的说应该是阶梯波)信号经过滤波器，就得到了质量很好，频率高的正弦信号。该信号还只是弱电信号，将该信号经过功率放大模块，就可以得到频率可调的正弦波了。

实例介绍
下面以设计的变频式接地电阻测量仪电源为例介绍整个方法。该电源要求输出波频率在25~100Hz可调、频率分辨率为1Hz、输出功率在100~1000W之间。其硬件原理如图3所示(不包括功率放大模块)。
合成正弦波的频率为f=(FC/2N)fc。可见，调整相位增量FC/2N或时钟频率fc的大小都可以达到调整输出波形频率的目的。一般DDS技术都采用固定fc、调节相位增量的方法。这是因为相位增量均匀可调，生成波形频率分辨率高。只要提高N的大小，就可以无限次提高频率分辨率，这样，生成的正弦波频率连续可调且频率分辨率高。而fc一般通过将基频分频得到，调节分频系数并不能连续调整fc，得到的频率只能离散不均匀地分布在整个频率空间。举个例子，基频为62.5KHz，要产生6KHz的fc，分频系数选用10或11，得到fc为6250Hz或5681Hz。这种方法频率分辨率为fr=fc/N(N+1)，在N从10变到11时，fr=568Hz；N从1000变到1001时，fr=0.0624Hz。在高频部分，频率连续性很差，在低频部分，频率连续性还是不错的。
但是通过观察固定fc、调节相位增量的方法，就会发现其分辨率为fr=fc/2N，如果提高分辨率，就必须增加N值，这样，就需要容量为2N的LUT，占用大量的存储空间。解决的方法可以采用PR的数据宽度大于LUT地址宽度的方法，但这样势必会引进相位截尾误差。
本设计中，由于合成正弦波频率较低，采用了固定相位增量，调节时钟频率fc的方法来调节频率。时钟信号由中断产生，采用定时器中断作为中断源。实际上工作的fc由单片机工作的时钟分频得来，单片机定时器计数频率高达1MHz，所以频率分辨率极高。调节fc实现起来也很简单，只用改变定时器定时值就可中断间隔，从而达到调整fc的目的。单片机中断程序的流程如图4所示。在设计中，每个正弦波周期平均取64个相位点，每个点采用8位。单片机选用普通的51单片机，晶振选用12MHz，DAC选用8位的DAC0832。电路中，单片机将合成的正弦信号幅值数据依次从P1口输出。然后经过双极性D/A转换，在经过一个三阶Butterworth滤波器滤波后就得到了频率可调的正弦信号。通过实验，得到了25Hz、50Hz和100Hz等各个频率的正弦波，得到的波形良好，频率误差不超过0.1%，经过滤波后得到的正弦波谐波分量小于1％，总体满足了要求。

结语
总体来说，这种实现变频电源的方法简单可行，调试、维护都很方便，得到的波形也很理想，谐波含量低，频率准确度高，并且能够实现频率连续可调。但是，这种方法也有一个很大的局限性，即受到功放模块的放大限制。输出功率比较小，比较适合用在对功率要求不高的场合，比如一些测量仪器，智能仪器需要的变频电源。■

参考文献
1 黄俊 王兆安. 电力电子变流技术. 机械工业出版社，1993
2 卢红. 电气传动. 一种新型的电流跟踪型SPWM逆变器的研制. 1993
3 段学威 刘年宝. 直接数字合成技术的应用. 上海航天出版社，1996

4  ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
5 DAC0832 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DAC0832_253651.html.