基于DDS的大功率变频标准源全数字化控制系统的设计.pdfVIP

基于DDS 的大功率变频标准源全数字化控制系统设计 摘要：变频技术的发展迫切需要大功率变频标准源，本文给出了一种基于DDS 芯片AD9953 和Cortex-M3 内核微处理器芯片STM32F107 的大功率变频标准源全数字化控制系统的设计 方案。重点介绍正弦波信号发生电路、DDS 输出滤波器电路和微处理器及外围电路的设计， 并根据变频标准源的设计指标给出了这些电路的各项关键设计参数。测试结果表明，该设计 方案可以满足大功率变频标准源的要求。 关键词：变频技术，标准源，直接频率合成技术 和相位，以保证电压和电流输出信号的稳定。 0. 引言 功率标准源是产生标准电压、电流、频 率和功率信号用以校准电压、电流、频率和 功率传感器及仪表的标准级计量装置。近年 来，随着电力电子技术、自动控制和微电子 技术的发展，交流变频调速技术的应用日益 图1 大功率标准变频源结构框图 广泛。传统的功率标准源都是针对工频 在大功率数字变频标准源中，控制系统 50Hz 而设计，采用模拟技术输出能力有限， 是大功率数字变频源的核心部分之一，是变 电压输出一般在1kV 以下，电流输出一般在 频源中的“源”，其稳定性和控制精度直接 100A 以下，功率因数一般在0.2 以上，输出 影响着变频源的稳定性，因此要对控制系统 量程过小、频率范围过窄已经严重制约了电 的电路进行精心设计，才能保证变频源的性 能计量的发展。为了适应变频技术的发展， 能。 亟需研制大功率变频标准功率源。 控制系统采用全数字化电路技术实现， 图 1 是大功率标准变频源的结构框图， 由正弦波信号发生、信号滤波及放大、中央 其中控制系统的作用是根据用户的设定，产 处理器、对外接口和电源这几部分电路组成， 生一定幅度、频率和相位的两路正弦波，分 图2 是全数字化控制系统的电路原理框图。 别驱动两套功率放大装置，作为电压和电流 本文将重点介绍全数字化控制系统各部分 信号输出；同时，控制系统还要根据传感器 的设计方法。 的反馈，主动控制两路正弦波的频率、幅度 电源电路 以太网接口 电压通道 信号滤波 正弦波发生电路 及放大电路 USB 接口 中央处理器 电流通道 信号滤波 正弦波发生电路 及放大电路 数字 IO 接口 RS232 接口 图2 全数字化控制系统的电路原理框图 QualComm、Sciteg 等几个公司，其中 ADI 公司的DDS 芯片应用最为广泛，是目前的主 1. 正弦波信号发生电路 流。在数字变频源中，选用两片ADI 公司的 AD9953 芯片分别作为电压源和电流源的正 弦信号发生器。图3 是DDS 部分的电路原理 正弦波信号发生电路是变频功率源控 图。 制系统的关键，其性能好坏直接决定了功率 AD9953 内部有一个14 位DAC，最高转 源输出波形的品质。相对于其他正弦波产生 换频率可达 400 MSPS，可以产生频率高达 技术，直接数字频率合成技术具有频率稳定 200MHz 的正弦波；AD9953 的频率调整字高 度好、频率分辨率高、频率转换时间短、相 达32位，可以提供极高的频率调整分辨率； 位可连续变化的优点，十分适合作为变频信 AD9953 具有不小于80dB 的无杂散动态范围 号源使用，因此