波形平滑、頻率穩(wěn)定的正弦信號是仿真研究的重要前提。為了能夠方便地產(chǎn)生此信號，文章提出了一種基于DDS技術(shù)的正弦信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。

　　《通信與信息技術(shù)》以報(bào)道現(xiàn)代通信電源技術(shù)及電源領(lǐng)域新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品為宗旨，向通信應(yīng)用工程技術(shù)人員提供技術(shù)支持為目的，滿足通信領(lǐng)域人員需求。

　　該方法利用FPGA芯片及D/A轉(zhuǎn)換器，采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了相位、頻率可控的相位相差120°的三相正弦信號發(fā)生器。同時(shí)把在Matlab環(huán)境中用DSPBuilder畫的原理圖轉(zhuǎn)化為VHDL語言，然后通過信號分析在QuartusⅡ中模擬仿真，最終下載到FPGA試驗(yàn)箱，這樣，接上示波器即可觀察到三相正弦信號。文章給出了基于FPGA的三相正弦信號波形的設(shè)計(jì)方法，并經(jīng)軟件仿真測試驗(yàn)證及硬件測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性。

　　0引言

　　目前，各大芯片廠商都相繼推出了高性能和多功能的DDS芯片，內(nèi)部數(shù)字信號抖動(dòng)很小，輸出信號的質(zhì)量較高。但是在某些場合，由于專用的DDS芯片的控制方式是固定的，故在工作方式、頻率控制等方面與系統(tǒng)的要求差距很大，數(shù)字控制器接口不便，難以滿足復(fù)雜要求，對處理速度要求較高，從而也限制了頻率進(jìn)一步的提高，同時(shí)微處理器的處理任務(wù)也更加繁重。FPGA以其可靠性高、功耗低、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出符合特定需要的三相正弦DDS電路，通過實(shí)驗(yàn)證明，利用FPGA合成DDS是一個(gè)較好的解決方法，具有良好的實(shí)用性和靈活性。

　　1DDS的基本原理

　　直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)的工作原理是基于相位和幅度的對應(yīng)關(guān)系，通過改變頻率控制字K來改變相位累加器的累加速度，然后在固定時(shí)鐘fc的控制下取樣，取樣得到的相位值通過相位幅度轉(zhuǎn)換得到與相位值對應(yīng)的幅度序列，幅度序列再通過D/A轉(zhuǎn)換就可以得到模擬波形的輸出。DDS原理框圖如圖1所示。

　　在圖1中，累加器單個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量為：

　　(1)

　　其中N為累加器字長，角頻率為：

　　(2)

　　DDS的輸出頻率為：

　　(3)

　　DDS輸出的頻率步進(jìn)間隔：

　　(4)

　　由式(3)可見，相位累加器進(jìn)行線性相位累加時(shí)，頻率控制字的相位增加量越大，相位累加器的溢出頻率越高，輸出信號的頻率也就越高。

　　2三相正弦信號系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由頻率、相位控制字，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(即D/A轉(zhuǎn)換)，DDS模塊以及低通濾波器(LPF)等構(gòu)成。如圖2所示，其中頻率控制字K控制頻率的輸入，而相位控制字為P，與DDS模塊一起精確控制頻率的變化;D/A轉(zhuǎn)換是把波形對應(yīng)的數(shù)字量快速地轉(zhuǎn)換為對應(yīng)波形的模擬信號;低通濾波器用于濾除階梯信號中的諧波分量。本文采用2階低通濾波電路，階梯信號通過低通濾波，使得輸出信號頻譜純度較好，失真較小。

　　3三相正弦信號發(fā)生器的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　3.1DSPBuilder設(shè)計(jì)流程

　　DSPBuilder設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。具體步驟如下：

　　(1)在Matlab/Simulink中進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入。即在Matlab的Simulink環(huán)境中建立一個(gè)mdl模型文件，用圖形方式調(diào)用AlteraDSPBuilder和其他的Simulink庫中的圖形模塊，構(gòu)成系統(tǒng)級或算法級設(shè)計(jì)框圖;

　　(2)利用Simulink的圖形化仿真、分析功能。分析此設(shè)計(jì)模型的正確性，完成模型仿真;

　　(3)通過SignalCompiler把Simulink的模型文件(后綴為.mdl)轉(zhuǎn)化成通用的硬件描述語言，VHDL文件(后綴為.vhd)。也是DSPBuilder設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步;

　　(4)對以上頂層設(shè)計(jì)產(chǎn)生的VHDL的RTL代碼和仿真文件進(jìn)行綜合、編譯適配以及仿真。

　　3.2系統(tǒng)模型圖建立

　　實(shí)現(xiàn)相位互差120°的三相正弦信號發(fā)生器的原理與單相正弦信號發(fā)生器的原理基本一致，不同的是三相發(fā)生器需要兩個(gè)具有固定相位偏移的相位加法器。圖4為基于Simulink平臺建立的系統(tǒng)系統(tǒng)模型圖。圖5為頻率控制字為2時(shí)的仿真波形。

　　3.3硬件實(shí)時(shí)測試

　　三相正弦信號發(fā)生器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后可以通過示波器進(jìn)行測試，也可以通過嵌入式邏輯分析儀SignalTapⅡ直接測試。通過嵌入式邏輯分析儀SignalTapⅡ直接測試得到的實(shí)時(shí)波形如6所示。由波形圖可知，成功地完成了三相正弦信號發(fā)生器的FPGA設(shè)計(jì)。

　　4結(jié)語

　　本文提出了利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(即DDS)設(shè)計(jì)三相電正弦波形的方法，這種方法克服了傳統(tǒng)波形發(fā)生器輸出波形頻率窄的缺點(diǎn)，可以根據(jù)需要得到很寬范圍的合成波形。采用FPGA構(gòu)造電力電子裝置的控制單元具有簡單靈活、控制精確、易修改、可現(xiàn)場編程等優(yōu)點(diǎn)。這種方法可廣泛應(yīng)用于要求合成波形的諧波小、頻帶寬的測試儀器中。如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)低通濾波器，則可以制作頻率范圍寬、精度高的信號源。

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