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近年来DDS直接数字频率合成技术得到普遍应用。对正弦波信号发生器而言,DDS技术的诞生,使波形发生器技术有了进一步的飞跃。
采用直接数字频率合成(DDS)技术产生的正弦波具有:全数字化、输出频率精度高、波形失真小、频率稳定度高、分辨率高、输出相位连续可调、控制灵活方便、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号以及等特点。
2002年《无线电》10期,刊载了《数码频率合成50Hz工频移相电路》一文,文中提到的正弦波数码合成模块SSE3600A就是国内早期采用全数字化分离器件构成的DDS模块电路。该模块在改变输出频率、相位调整、多片并用,如:用单片产生单相正弦波信号;用两片可产生电压、电流移相;用三片就可产生标准三相正弦波等,使用极为方便,是标准正弦信号发生器、正弦波逆变器、光伏逆变并网电子产品不可多得的模块电路。其实DDS技术在我国内地的实际应用还应追溯到更早的70年代,遗憾的是这样一款具有领先技术的模块没能被国人相中,用该技术来开发集成度更高的单片DDS正弦波数字频率合成芯片,同期国外却开发了如ML2035等号称不需要外围元件的全集成DDS芯片。
随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展,DDS技术日益显露出它的优越性 ,由于对DDS正弦波电路使用的场合日益增大,出于经济的缘由一个本来很简单的DDS正弦波频率合成问题,却被神奇化了,不惜投入大量的人力、物力去对其进行重复的“研发”。
本文拟用30年前开发SE3600正弦波发生器模块电路的实践来揭秘DDS正弦波数字合成技术。
SE3600A的设计指导思想是基于70年代国内对某雷达平面显示器数字化的研究,当时拟将平面显示器用机械旋转偏转线圈产生的扫描改变为电子扫描,采取的方法是:把离散的正弦函数值数字化,用磁芯存储器(磁芯穿线方式存储二进制数据),将360°全部正弦函数值数字化并列表,用导线按列表0/1关系穿磁芯,储存正弦函数,用这种方法存储正弦函数值的磁芯板重约3Kg,这就是只读存储器的早期模型。EPROM的出现使得正弦函数值的存储微小型化,一片小小的2732就可取代3Kg重的磁芯存储器来存储庞大的正弦函数表!后来国内某生产电度表校验仪的工厂,为改善文氏振荡电路模拟正弦波的质量、简化正弦波调试工艺,开始采用免调试DDS直接正弦波数字合成技术,从而减轻了调试工作量、提升了产品的品质。
SE3600A也应运而生,它是一款直接数字频率合成正弦波的DDS模块电路。它采用CMOS数字电路、只读存储器EPROM、D/A转换器、运算放大器等集成电路芯片构成模块电路。内部主要有:①时钟脉冲发生电路、②寻址计数电路、③正弦查表器EPROM、④D/A转换器、⑤低通滤波器、⑥基准电源电路等组成。(如图1)
时钟脉冲电路由CMOS电路与一个高稳定的晶体构成。计数器在时钟脉冲的作用下构成EPROM寻址扫描电路,对EPROM的每一个存储单元依次寻址扫描。EROM是一种可编程只读存储器,存储的是以相位为地址的一个周期的正弦信号数字幅度信息,每个地址对应于正弦波中0~259°范围中的对应相位点,它相当于一个正弦相位/幅度表,在地址扫描器的作用下,查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度数据,并依次将对应的正弦相位/幅值送入D/A转换器,经D/A变换后,输出模拟的连续的由阶梯波构成的正弦波信号,最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑处理,滤除不需要的取样分量,即可得到由时钟频率控制的连续变化的标准正弦波信号输出。
由于SE3600A的输出频率fo受时钟脉冲fi的直接控制,其输出频率fo的计算公式为:
fo=fi /3600 ㈠
上式表明,通过改变钟频就能方便的得到各种频率的纯正弦波输出。式中fo的单位:Hz;fi的单位:Hz
例:我国光伏逆变所需输出频率为50Hz,则fi=3600×50=180kHz,
台湾地区的电网频率为60Hz,则fi=3600×50=216kHz,
一些专用设备的用电网频率为400Hz,则fi=3600×400=1440kHz,
国外芯片大多都需要用单片机或其他CPU编程后通过接口电路来控制输出频率。其控制程序的编制也要求有一定的水平。而SE3600A仅仅需要做一下乘法就可实现,可见,SE3600A改变输出频率之方便是国外的DDS芯片所不及的。
SE3600A的频率分辨率Δfo 由EPROM中360°正弦波数据的采样点的数量来决定。
Δfo =360/周期采样点数 ㈡
若周期采样点数为2048时,频率分辨率Δfo 为0.176°
SE3600A可通过烧录EPROM来简单确定频率分辨度,同样避免了繁琐的编程工作。
SE3600A的输出频率稳定度由时钟脉冲产生方式决定,由于SE3600A采用晶体振荡器,其频率稳定度可达10ˉ^5。
SE3600A多片并用也十分方便。如:要产生标准三相正弦波,只要把三片SE3600A的时钟输入端作用于同一钟频下,选定一片为基相(A)其余两片分别定为(B)相、(C)相,再用可预置计数器分别设定计数器(B)相为1200、(C)相为2400,当钟脉冲计数到1200或2400时(B)、(C)相才开始输出,这样就能用简单的控制方式产生相位差为120°的标准三相正弦信号。
可以毫不夸张地说SE3600A是一款真正的傻瓜DDS、是真正的不需要外围元件的直接数字频率合成电路。尽管开发它也已过去了30多年,但至今仍然不失为一款有用武之地的DDS模块电路!
当前,车载逆变器、光伏逆变器、UPS电源大量运用,由于SE3600A不需要再编程,只要稍稍懂一点电子知识,就可通过SE3600A简单的获得高品质的纯正弦波,这就给SE3600A开创了新的应用天地
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