基于FPGA的DDS勵(lì)磁恒流源設(shè)計(jì)

目前勵(lì)磁電源信號(hào)發(fā)生部分通常采用直接頻率合成技術(shù)，主要功能電路由壓控振蕩器(VCO)、倍頻器、分頻器、混頻器和濾波器等構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)采用開環(huán)控制，即輸入設(shè)定值→頻率合成→功率放大→輸出勵(lì)磁電流。這種結(jié)構(gòu)給勵(lì)磁電源帶來以下不足：(1)由于采用外部壓控振蕩器，勵(lì)磁信號(hào)的頻率范圍受到限制，一般約為50 kHz。(2)系統(tǒng)使用開環(huán)控制，系統(tǒng)精度依賴于各組件的精度和穩(wěn)定性，使得勵(lì)磁電流的幅度精度和穩(wěn)定性較差，儀器抗干擾性不強(qiáng)。(3)采用直接頻率合成技術(shù)，系統(tǒng)中有大量模擬電路，導(dǎo)致系統(tǒng)體積大、重量大、耗電高、可靠性差。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，磁性材料廣泛運(yùn)用于通信、電力、信息、交通等領(lǐng)域中。磁滯回線是磁性材料中重要的磁性參數(shù)之一，是鐵磁材料的本質(zhì)特征。通常運(yùn)用于與磁性材料有關(guān)的計(jì)算和研究中，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究具有重要的指導(dǎo)意義。

　　文中提出一種基于FPGA的DDS信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生電路采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，即DDS(Direct Digital Frequency Synth-esis)。它是以全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)，直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。是將先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)和方法引入信號(hào)合成領(lǐng)域，把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過數(shù)／模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，在時(shí)域中進(jìn)行頻率合成。直接數(shù)字頻率合成器的主要優(yōu)點(diǎn)是：輸出信號(hào)頻率相對(duì)帶寬較寬；頻率分辨力好、轉(zhuǎn)換時(shí)間快；頻率變化時(shí)相位保持連續(xù)；集成度高，體積小，控制方便等。整個(gè)信號(hào)源系統(tǒng)采用數(shù)字閉環(huán)控制，通過對(duì)勵(lì)磁電流瞬時(shí)值經(jīng)PID閉環(huán)控制，使得勵(lì)磁電流可瞬時(shí)跟蹤給定幅值，加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高非線性負(fù)載適應(yīng)力，其較傳統(tǒng)的信號(hào)源能更好地滿足磁性測試設(shè)備的需求。

　　1 DDS的工作原理

　　DDS的工作原理如圖1所示。主要有以下基本部件：相位累加器；相位-幅度變換器，即正弦查表ROM；D／A轉(zhuǎn)換器和適當(dāng)?shù)臑V波器等濾波器。相位累加器是DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)相位寄存器組成，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下，按頻率控制字為步長不斷累積，累加結(jié)果產(chǎn)生遞增的傳遞給正弦查表ROM。正弦查詢表中存儲(chǔ)了一個(gè)周期正弦波在各相位點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)字幅度信息。由于相位累加器的輸出連接在波形存儲(chǔ)器(ROM)的地址線上，因此其輸出的改變就相當(dāng)于進(jìn)行查表。這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值經(jīng)查找表查出，然后送至D／A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一系列以時(shí)鐘脈沖為抽樣速率的電壓階躍。濾波器則進(jìn)一步平滑D／A轉(zhuǎn)換器輸出的近似正弦波的鋸齒階梯波，同時(shí)衰減不必要的雜散信號(hào)，使輸出為要求的光滑波形。

　　由于相位累加器字長的限制，相位累加器累加到一定值后，其輸出將會(huì)溢出，這樣波形存儲(chǔ)器的地址就會(huì)循環(huán)一次，即意味著輸出波形循環(huán)一周。故當(dāng)頻率字取不同值，就可以改變相位累加器的溢出時(shí)間，從而在時(shí)鐘頻率不變的條件下改變輸出頻率。

　　設(shè)頻率控制字為K，系統(tǒng)參考時(shí)鐘為fc，相位累加器位數(shù)為N，輸出頻率為fo，則可以得到輸入與輸出的關(guān)系為　　

　　當(dāng)K=1時(shí)，可以得到DDS的頻率分辨率　　

　　2 勵(lì)磁恒流源的硬件設(shè)計(jì)

　　勵(lì)磁信號(hào)發(fā)生器電路系統(tǒng)主要由基于FPGA的DDS電路、MCU控制電路、DAC電路、低通濾波器(LPF)、人機(jī)接口、系統(tǒng)時(shí)鐘和系統(tǒng)電源構(gòu)成。系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

　　2．1 基于FPGA的DDS電路

　　2．1．1 相位累加器

　　對(duì)于利用FPGA設(shè)計(jì)DDS信號(hào)源，相位累加器是決定DDS電路性能的一個(gè)關(guān)鍵部分。相位累加器是由N位累加器和N位寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，相位寄存器采樣上個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)相位累加器的值與頻率控制字K之和，并作為相位累加器在這一時(shí)鐘周期的輸出。由式(2)可知，相位累加器的位數(shù)N越大，得到的頻率分辨率越小，但在較高的工作頻率下，會(huì)產(chǎn)生較大的延時(shí)不能滿足速度的要求。在時(shí)序電路中，通常采用流水線技術(shù)來提高速度，代價(jià)是增加寄存器的數(shù)量，多占了FPGA的資料。綜合考慮，采用32位累加器，四級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。

　　2．1．2 相位-幅度變換器

　　相位-幅度變換器是由ROM構(gòu)成，它把相位累加器的輸出的數(shù)字相位信息變換成正弦波值。在FPGA中，ROM一般是由EAB來實(shí)現(xiàn)，并且ROM表的尺寸與地址位數(shù)或數(shù)據(jù)位數(shù)成指數(shù)增加的關(guān)系，因此相位-幅度轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)是影響DDS性能的另一個(gè)關(guān)鍵，在滿足信號(hào)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的前提下，主要在于減少資源開銷?？紤]到本設(shè)計(jì)只需要輸出正弦信號(hào)，正弦波信號(hào)關(guān)于點(diǎn)(π，0)奇對(duì)稱，只需存儲(chǔ)1／2周期的波形數(shù)據(jù)，又根據(jù)在左半周期內(nèi)，波形關(guān)于直線x=π／2成偶對(duì)稱，因此只需要存儲(chǔ)1／4周期的正弦函數(shù)值，就可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q得到整個(gè)正弦碼表，這樣可以節(jié)約3／4的資源。

2. 2 低通濾波模塊

　　DDS有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即輸出頻率越接近Nyquist帶寬的高端，采樣點(diǎn)數(shù)越少，其輸出的雜散干擾就越大。輸出波形具有大量的諧波分量和系統(tǒng)時(shí)鐘干擾。為得到所需頻段內(nèi)的信號(hào)，需要在DDS輸出端加一濾波器來實(shí)現(xiàn)，而低通濾波器能較好地濾除雜波，平滑信號(hào)，所以低通濾波器的設(shè)計(jì)尤為重要，濾波特性的優(yōu)劣對(duì)輸出信號(hào)的性能起重要的影響。

　　為取得較好的濾波效果，濾波器采用了由四選一模擬開關(guān)和精密運(yùn)算放大器分段濾波的方式：采用巴特沃斯有源低通濾波器，該濾波器通帶內(nèi)幅度很平坦，濾波電路為二階巴特沃斯低通濾波電路，濾波器頻段參數(shù)的選擇由FPGA輸出的控制信號(hào)nINH，S0，S1控制模擬開關(guān)的選通實(shí)現(xiàn)。

　　2．3 幅度控制

　　本設(shè)計(jì)幅度控制電路采用調(diào)節(jié)DAC參考電壓的數(shù)字化控制方法，采用兩個(gè)D／A級(jí)聯(lián)的方式，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC2采用外部可變基準(zhǔn)源，通過改變基準(zhǔn)源的值來改變輸出的滿幅度電流值，該可變基準(zhǔn)源通過DAC1產(chǎn)生。DAC1的基準(zhǔn)電壓采用輸出電壓為1．25 V精密電壓基準(zhǔn)芯片提供，設(shè)DAC1的幅度輸出字為N1，則DAC1的參考電壓為　　

　　設(shè)DAC2的數(shù)字輸入字為N2，則經(jīng)電流／電壓轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為　　

　　2．4 人機(jī)交互

　　為方便快捷地控制DDS的頻率字輸入和幅度控制，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS信號(hào)發(fā)生器的控制。DDS的頻率字和幅度數(shù)據(jù)字位較多，而單片機(jī)輸出端口位數(shù)有限，所以單片機(jī)與FPGA之間的通信采用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口)方式，單片機(jī)將控制命令字傳送給FPGA。同時(shí)，為了輸入控制方便，添加了鍵盤和顯示系統(tǒng)。

　　3 數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)的勵(lì)磁恒流源主要為磁性測量儀器提供激勵(lì)電源，因而對(duì)其精度和穩(wěn)定性要求高，采用電流控制型的控制策略進(jìn)行閉環(huán)控制，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。勵(lì)磁電流幅度調(diào)整時(shí)，首先對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行多周期采樣，然后計(jì)算其有效值，并與輸入設(shè)定值相比較，若誤差ε在允許范圍之外，則根據(jù)誤差的實(shí)際情況，通過單片機(jī)內(nèi)增量式PID算法得出了一個(gè)新的控制量，傳送給FPGA控制幅度調(diào)節(jié)經(jīng)低通濾波器濾去高頻成分，再經(jīng)功率放大，得到高精度的勵(lì)磁電流。

　　4 系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證分析

　　在Altera公司的QuartusⅡ環(huán)境下編譯完成，采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，即先從系統(tǒng)總體要求出發(fā)將設(shè)計(jì)內(nèi)容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)。完成DDS設(shè)計(jì)后，通過編寫Testbench在Modelsim進(jìn)行仿真。在QuartusⅡ中，設(shè)定輸出信號(hào)頻率為1 MHz，經(jīng)過50 μs后改變?yōu)?00 kHz進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示。在Modelsim中生成的仿真數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)證完全正確，滿足設(shè)計(jì)需求。

　　在對(duì)勵(lì)磁信號(hào)源做硬件系統(tǒng)測試時(shí)，首先完成系統(tǒng)硬件連接，并加載程序，設(shè)定輸出信號(hào)頻率為1 MHz，示波器測得實(shí)際輸出波形如圖5所示。在Modelsim環(huán)境下仿真和在硬件平臺(tái)上測試，結(jié)果表明勵(lì)磁信號(hào)源可獲得較好的設(shè)置波形，可以應(yīng)用于磁性材料的測試中。

　　5 結(jié)束語

　　運(yùn)用Verilog硬件編程語言結(jié)合DDS技術(shù)，利用FPGA器件強(qiáng)大的硬件功能，提高了系統(tǒng)集成度，實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)相對(duì)帶寬寬、穩(wěn)定性好；其相位累加器在一定系統(tǒng)時(shí)鐘和累加器位寬條件，輸出信號(hào)分辨率越小，頻率控制字的傳輸時(shí)間以及器件響應(yīng)時(shí)間都很短，使輸出信號(hào)頻率切換時(shí)間較短，可以達(dá)到ns級(jí)，且頻率變化時(shí)，相位保持連續(xù)，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，勵(lì)磁電流輸出精度高，調(diào)節(jié)速度快。對(duì)磁性材料測量儀所要求的勵(lì)磁信號(hào)源而言，本設(shè)計(jì)不但滿足所有技術(shù)指標(biāo)，而且集成度高、體積小、顯著地降低了成本。