基于AD9833的SPWM波形硬件生成方法
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图 3 为三相 SPWM 波形产生电路 (调制电路) 原理框图 ,由 控制器 、波形产生 、比较输出等 3 部分组成 。
定度 ,因此系统采用稳定性极好的恒温振荡器 (OCXO) 为 DDS 芯片的主时钟输入 ,1G04 高速反相器则增加振荡器的驱动能力 和降低输出阻抗 。
为了尽可能准确地在载波与调制波相交时刻控制器件通 断 ,比较输出部分采用 TL714 高速比较器 ,其输出延迟为 6 ns , 滞后电压典型为 10 mV ,最高运行频率为 50 MHz ,足以满足实际 要求 。 3 调制器软件设计
图 1 SPWM 自然采样法 调制法的实现有自然采样法 、规则采样法等 ,就谐波含量 而言 ,大量的理论分析和仿真研究表明 ,自然采样法比所有的 规则采样法都要优越[2] 。但通常认为自然采样法有一个严重 缺陷 :即载波和调制波交点时刻的计算需用数值迭代方法 ,求
收稿日期 :2007 - 04 - 03 收修改稿日期 :2007 - 06 - 19
2007 年 第 10 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2007 No110
基于 AD9833 的 SPWM 波形硬件生成方法
姜 平1 ,周根荣1 ,王海军2
(1. 南通大学电气工程学院 ,江苏南通 226007 ;2. 华为技术有限公司南京研究所 ,江苏南京 210029)
0 引言 SPWM(正弦脉宽调制) 技术在电力电子领域应用非常广
泛 ,其控制思想是根据电路所要求的输出频率和一周内的脉冲 数 (载波比) ,来确定各全控型开关器件的通断控制时刻 (如图 1 中 A、C 时刻通 ,B 、D 时刻断) ,实现方法通常分计算法和调制 法 ,计算法可使控制时刻非常精确 ,但计算烦琐 ,不适用于载波 比需实时变化的场合 ;而调制法则是以高频三角载波 (图 1 中 uc) 和正弦调制波 (图 1 中 ur) 的交点为控制时刻 ,实现对各开 关器件的控制 ,当输出频率与载波比变化时 ,只要改变载波与 调制波频率即可 ,因此适用范围广 。
解复杂的超越方程 ,当采用微机控制时需花费大量的计算时 间 ,因此难以在实时控制中使用[1] 。
显然 ,如果一定要通过计算确定载波与调制波的交点时 刻 ,自然采样法固然存在上述缺陷 ,但自然采样法思想是要在 交点时刻实现对开关器件的通断控制 ,计算出交点时刻固然能 实现这一要求 ,而利用高速模拟比较器对载波与调制波进行幅 值比较 ,在交点时刻比较器输出自动翻转 ,其“0”、“1”信号经隔 离 、驱动也可实现对器件的控制 ,显然这属于自然采样法的硬 件实现 ,原理简单 ,无需计算 ,完全避免了上文中所谓的缺陷 。
其实 ,从技术原理看 ,实现 SPWM 自然采样法控制有 2 个 关键点 : (1) 如何生产精确的高频三角载波和正弦调制波 ; (2) 如何精确定位高频三角载波和正弦调制波的交点 。对于后者 , 采用上文所述高速模拟比较器可以实现 ,当然为了提高精度 , 要求采用快响应速度 、小滞后电压和输出延迟的比较器 ;对于 前者 ,通常有模拟电路 、专用硬件和软件产生等几类方法 ,其中 专用硬件方法具有频率分辨率高 、稳定性好 、控制器参与少 、在 线调整方便等优点 ,如直接数字频率合成 (DDS) 技术 ,目前在通 讯领域的应用已非常广泛 。
(下转第 61 页)
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 10 期
周超等 :压阻式微差压传感器水头标定方法
6 1
通过设 置 AD9833 内 部 的 控 制 寄 存 器 (决 定 输 出 波 形 类 型) 、频率寄存器 (决定输出频率) 、相位寄存器 (决定初相位) , 可方便地产生所需类型 、频率和初相位的波形 。
三相调制电路产生相位差 120°的 U、V、W 三相调制信号 , 因此 3 片产生正弦调制波的 DDS 芯片 ( # 1～ # 3) 波形类型均 为正弦波 ,频率设定值 k 相同 ( k = fout·228/ fmclk) ,初相位设定值 Δphase不同 (Δphase =θ·212/ 360) ;而三角载波 (DDS # 4) 则是波形 类型为三角波 ,初相位设定值为 0 。
图 2 DDS 原理框图 系统采用高精度 、低功耗串行数据接口 DDS 芯片 AD9833 , 其内部相位累加器为 28 位 ,输出波形频率值 fout = k·fmclk/ 228 ; 相位调制寄存器为 12 位 ,输出波形初相位 θ= 360·Δphase/ 212 ; D/ A 为 10 位 ,主时钟 fMclk最高可达 25 MHz ,输出信号频率最高 达 1215 MHz ;另外 ,除可产生正弦波外 ,AD9833 还可通过内部寄 存器配置 ,输出方波 、三角波及直流信号 。 2 调制器硬件设计
波形产生部分包括 AD9833、高速运放 AD8021 及恒温振荡 器等 。AD9833 产生的信号幅值仅为 0165 V ,为了提高控制精 度 ,先经高速运放 (AD8021) 放大 再 送 入 相 应 的 模 拟 比 较 器 , AD8021 其 490 MHz 的带宽足以保证信号的无失真放大 。另外 DDS 主时钟信号 fMclk的稳定性直接影响着输出信号的频率稳
5 调制器输出信号波形 图 5 为上述三相调制电路 U、V、W 3 路 SPWM 控制信号的
实测波形 (TDS2012 示波器) ,载波比 N 为 48 (正弦调制波为 250 Hz ,三角载波为 12 kHz) 。由于采用高速器件和恒温振荡器 ,调 制波 、载波非常平滑 ,比较器输出波形图 5 (f) 边沿陡峭 ,其高 、 低电平虽有“毛刺”,但幅度甚小 ,不足以影响开关器件的控制 。
因此 ,针对 SPWM 自然采样法的上述关键点 ,文中介绍了 一种全数字 SPWM 自然采样法硬件实现方案 。 1 直接数字频率合成( DDS) 原理
正弦波幅值是非线性的 ,但相位是线性的 ,按相位将一个 周期 (360°) 分成 n 等份 ,这 n 个相位点对应的 n 个幅值存储在
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2. Nanjing Institute , Hua wei Technologies Co. ,Ltd , Nanjing 210029 , China)
Abstract :A new scheme of implementing the SPWM natural sampling was proposed. The strategy could produce triangula2rcarriers and sinusoidal modulation wave with steady frequency using the DDS technology directly. After compared by the high2speed analog com2 parator ,the output condition could reverse automatically at the time of wave intersection ,thus control the switch on & off of the switching devices ,so the real2time calculation was avoided completely. Taking the three2phase SPWM tone circuit as the example ,the paper intro2 duced the realization principle of the scheme and the hardware and the software design. The actual measurement result showed the effect of the scheme. Key words :SPWM ;DDS ;natural sampling theory ;analog comparator ;DSP
图 4 是相应的流程图 ,其中 DDS 复位是指对 DDS 内部控制 寄存器的 D8 位 (RESET) 写 1 ,此时 DDS 输出固定幅值的直流信 号 ;而 DDS 输出刷新是指对此位写 0 ,此时 4 片 DDS 同步输出设 定类型 、频率和初相位的信号 。
图 3 三相 SPWM 调制电路 控制器采用高速 32 位定点 DSP 芯片 TMS320F2812 ,此款 DSP 处理功能强 ,有丰富的片内外设 ,便于接口和模块化设计 , 广泛应用于自动化 、电力电子及通讯设备中 。系统利用其 12 个 I/ O 口控制 4 片 DDS 芯片 AD9833 ,产生 1 路公用三角载波和 3 路相差 120°的正弦调制波 。
由于差压传感器经过补偿 ,压力和电压输出值的线性度较 好 ,通常采用直线拟合这组数据 。以压力值为因变量 ,电压值 为自变量 ,设直线方程形式为
p = ku + b
(1)
最小方差意义下的拟合是使式 (2) 取得最小值 :
n
n
Δ = ∑( p - pi) 2 = ∑( kui + b - pi) 2
摘要 :提出了一种 SPWM(正弦脉宽调制) 自然采样法的全数字硬件实现方案 ,即利用直接数字频率合成 (DDS) 技术 , 产生频率稳定的三角载波和正弦调制波 ,经高速模拟比较器比较 ,其输出状态在波形交点时刻自动翻转 ,从而控制相应开 关器件的通断 ,完全避免了实时计算 。以三相 SPWM 调制电路为例 ,详细介绍了方案的实现原理及软硬件设计 ,实测结果 表明了该方案的有效性 。 关键词 :SPWM ;DDS ;自然采样法 ;模拟比较器 ;DSP 中图分类号 :TN742. 1 文献标识码 :B 文章编号 :1002 - 1841 (2007) 10 - 0056 - 02
第 10 期
姜平等 :基于 AD9833 的 SPWM 波形硬件生成方法
5 7
DDS 芯片内部 ROM 中 ,以相位点为 ROM 地址 ,取出对应幅值 , 经 D/ A 转换 、低通滤波 ,即可形成平滑的正弦波输出 。改变相 位点的采样间隔和采样点数 ,便可实现不同频率 、不同精度的 正弦波输出 。如图 2 所示 ,每来一个主时钟脉冲 fMclk ,相位累加 器便将频率设定值 k 与相位累加器当前内容相加 ,存在累加器 中 ,同时将此值作为正弦数据 ROM 表的幅值取样地址 ,取出正 弦波幅值对应值 ,经 D/ A 转换 、最后滤波输出 。可见 DDS 技术 其实是利用线性相位容易实现累加这一特点 ,以线性相位累加 值为地址 ,取出存储在 ROM 表中对应的非线性幅值 ,其思路与 单片机软件实现正弦波一致 ,只不过单片机是程序顺序实现 , 而 DDS 芯片是硬件并行实现 ,所以产生的波形具有带宽宽 、转 换时间短 、频率分辨率高 、输出相位连续等优点 ,而且信号幅 值 、初相位 、频率均可编程 ,控制灵活方便 。
Hardware Realization Method for Generating SPWM Waves Based on AD9833
J IANG Ping1 ,ZHOU Gen2rong1 ,WANG Hai2jun2 ( 1. School of Electrical Engineering , Nantong Universiቤተ መጻሕፍቲ ባይዱy , Nantong 226007 , China ;
定度 ,因此系统采用稳定性极好的恒温振荡器 (OCXO) 为 DDS 芯片的主时钟输入 ,1G04 高速反相器则增加振荡器的驱动能力 和降低输出阻抗 。
为了尽可能准确地在载波与调制波相交时刻控制器件通 断 ,比较输出部分采用 TL714 高速比较器 ,其输出延迟为 6 ns , 滞后电压典型为 10 mV ,最高运行频率为 50 MHz ,足以满足实际 要求 。 3 调制器软件设计
图 1 SPWM 自然采样法 调制法的实现有自然采样法 、规则采样法等 ,就谐波含量 而言 ,大量的理论分析和仿真研究表明 ,自然采样法比所有的 规则采样法都要优越[2] 。但通常认为自然采样法有一个严重 缺陷 :即载波和调制波交点时刻的计算需用数值迭代方法 ,求
收稿日期 :2007 - 04 - 03 收修改稿日期 :2007 - 06 - 19
2007 年 第 10 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2007 No110
基于 AD9833 的 SPWM 波形硬件生成方法
姜 平1 ,周根荣1 ,王海军2
(1. 南通大学电气工程学院 ,江苏南通 226007 ;2. 华为技术有限公司南京研究所 ,江苏南京 210029)
0 引言 SPWM(正弦脉宽调制) 技术在电力电子领域应用非常广
泛 ,其控制思想是根据电路所要求的输出频率和一周内的脉冲 数 (载波比) ,来确定各全控型开关器件的通断控制时刻 (如图 1 中 A、C 时刻通 ,B 、D 时刻断) ,实现方法通常分计算法和调制 法 ,计算法可使控制时刻非常精确 ,但计算烦琐 ,不适用于载波 比需实时变化的场合 ;而调制法则是以高频三角载波 (图 1 中 uc) 和正弦调制波 (图 1 中 ur) 的交点为控制时刻 ,实现对各开 关器件的控制 ,当输出频率与载波比变化时 ,只要改变载波与 调制波频率即可 ,因此适用范围广 。
解复杂的超越方程 ,当采用微机控制时需花费大量的计算时 间 ,因此难以在实时控制中使用[1] 。
显然 ,如果一定要通过计算确定载波与调制波的交点时 刻 ,自然采样法固然存在上述缺陷 ,但自然采样法思想是要在 交点时刻实现对开关器件的通断控制 ,计算出交点时刻固然能 实现这一要求 ,而利用高速模拟比较器对载波与调制波进行幅 值比较 ,在交点时刻比较器输出自动翻转 ,其“0”、“1”信号经隔 离 、驱动也可实现对器件的控制 ,显然这属于自然采样法的硬 件实现 ,原理简单 ,无需计算 ,完全避免了上文中所谓的缺陷 。
其实 ,从技术原理看 ,实现 SPWM 自然采样法控制有 2 个 关键点 : (1) 如何生产精确的高频三角载波和正弦调制波 ; (2) 如何精确定位高频三角载波和正弦调制波的交点 。对于后者 , 采用上文所述高速模拟比较器可以实现 ,当然为了提高精度 , 要求采用快响应速度 、小滞后电压和输出延迟的比较器 ;对于 前者 ,通常有模拟电路 、专用硬件和软件产生等几类方法 ,其中 专用硬件方法具有频率分辨率高 、稳定性好 、控制器参与少 、在 线调整方便等优点 ,如直接数字频率合成 (DDS) 技术 ,目前在通 讯领域的应用已非常广泛 。
(下转第 61 页)
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 10 期
周超等 :压阻式微差压传感器水头标定方法
6 1
通过设 置 AD9833 内 部 的 控 制 寄 存 器 (决 定 输 出 波 形 类 型) 、频率寄存器 (决定输出频率) 、相位寄存器 (决定初相位) , 可方便地产生所需类型 、频率和初相位的波形 。
三相调制电路产生相位差 120°的 U、V、W 三相调制信号 , 因此 3 片产生正弦调制波的 DDS 芯片 ( # 1～ # 3) 波形类型均 为正弦波 ,频率设定值 k 相同 ( k = fout·228/ fmclk) ,初相位设定值 Δphase不同 (Δphase =θ·212/ 360) ;而三角载波 (DDS # 4) 则是波形 类型为三角波 ,初相位设定值为 0 。
图 2 DDS 原理框图 系统采用高精度 、低功耗串行数据接口 DDS 芯片 AD9833 , 其内部相位累加器为 28 位 ,输出波形频率值 fout = k·fmclk/ 228 ; 相位调制寄存器为 12 位 ,输出波形初相位 θ= 360·Δphase/ 212 ; D/ A 为 10 位 ,主时钟 fMclk最高可达 25 MHz ,输出信号频率最高 达 1215 MHz ;另外 ,除可产生正弦波外 ,AD9833 还可通过内部寄 存器配置 ,输出方波 、三角波及直流信号 。 2 调制器硬件设计
波形产生部分包括 AD9833、高速运放 AD8021 及恒温振荡 器等 。AD9833 产生的信号幅值仅为 0165 V ,为了提高控制精 度 ,先经高速运放 (AD8021) 放大 再 送 入 相 应 的 模 拟 比 较 器 , AD8021 其 490 MHz 的带宽足以保证信号的无失真放大 。另外 DDS 主时钟信号 fMclk的稳定性直接影响着输出信号的频率稳
5 调制器输出信号波形 图 5 为上述三相调制电路 U、V、W 3 路 SPWM 控制信号的
实测波形 (TDS2012 示波器) ,载波比 N 为 48 (正弦调制波为 250 Hz ,三角载波为 12 kHz) 。由于采用高速器件和恒温振荡器 ,调 制波 、载波非常平滑 ,比较器输出波形图 5 (f) 边沿陡峭 ,其高 、 低电平虽有“毛刺”,但幅度甚小 ,不足以影响开关器件的控制 。
因此 ,针对 SPWM 自然采样法的上述关键点 ,文中介绍了 一种全数字 SPWM 自然采样法硬件实现方案 。 1 直接数字频率合成( DDS) 原理
正弦波幅值是非线性的 ,但相位是线性的 ,按相位将一个 周期 (360°) 分成 n 等份 ,这 n 个相位点对应的 n 个幅值存储在
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2. Nanjing Institute , Hua wei Technologies Co. ,Ltd , Nanjing 210029 , China)
Abstract :A new scheme of implementing the SPWM natural sampling was proposed. The strategy could produce triangula2rcarriers and sinusoidal modulation wave with steady frequency using the DDS technology directly. After compared by the high2speed analog com2 parator ,the output condition could reverse automatically at the time of wave intersection ,thus control the switch on & off of the switching devices ,so the real2time calculation was avoided completely. Taking the three2phase SPWM tone circuit as the example ,the paper intro2 duced the realization principle of the scheme and the hardware and the software design. The actual measurement result showed the effect of the scheme. Key words :SPWM ;DDS ;natural sampling theory ;analog comparator ;DSP
图 4 是相应的流程图 ,其中 DDS 复位是指对 DDS 内部控制 寄存器的 D8 位 (RESET) 写 1 ,此时 DDS 输出固定幅值的直流信 号 ;而 DDS 输出刷新是指对此位写 0 ,此时 4 片 DDS 同步输出设 定类型 、频率和初相位的信号 。
图 3 三相 SPWM 调制电路 控制器采用高速 32 位定点 DSP 芯片 TMS320F2812 ,此款 DSP 处理功能强 ,有丰富的片内外设 ,便于接口和模块化设计 , 广泛应用于自动化 、电力电子及通讯设备中 。系统利用其 12 个 I/ O 口控制 4 片 DDS 芯片 AD9833 ,产生 1 路公用三角载波和 3 路相差 120°的正弦调制波 。
由于差压传感器经过补偿 ,压力和电压输出值的线性度较 好 ,通常采用直线拟合这组数据 。以压力值为因变量 ,电压值 为自变量 ,设直线方程形式为
p = ku + b
(1)
最小方差意义下的拟合是使式 (2) 取得最小值 :
n
n
Δ = ∑( p - pi) 2 = ∑( kui + b - pi) 2
摘要 :提出了一种 SPWM(正弦脉宽调制) 自然采样法的全数字硬件实现方案 ,即利用直接数字频率合成 (DDS) 技术 , 产生频率稳定的三角载波和正弦调制波 ,经高速模拟比较器比较 ,其输出状态在波形交点时刻自动翻转 ,从而控制相应开 关器件的通断 ,完全避免了实时计算 。以三相 SPWM 调制电路为例 ,详细介绍了方案的实现原理及软硬件设计 ,实测结果 表明了该方案的有效性 。 关键词 :SPWM ;DDS ;自然采样法 ;模拟比较器 ;DSP 中图分类号 :TN742. 1 文献标识码 :B 文章编号 :1002 - 1841 (2007) 10 - 0056 - 02
第 10 期
姜平等 :基于 AD9833 的 SPWM 波形硬件生成方法
5 7
DDS 芯片内部 ROM 中 ,以相位点为 ROM 地址 ,取出对应幅值 , 经 D/ A 转换 、低通滤波 ,即可形成平滑的正弦波输出 。改变相 位点的采样间隔和采样点数 ,便可实现不同频率 、不同精度的 正弦波输出 。如图 2 所示 ,每来一个主时钟脉冲 fMclk ,相位累加 器便将频率设定值 k 与相位累加器当前内容相加 ,存在累加器 中 ,同时将此值作为正弦数据 ROM 表的幅值取样地址 ,取出正 弦波幅值对应值 ,经 D/ A 转换 、最后滤波输出 。可见 DDS 技术 其实是利用线性相位容易实现累加这一特点 ,以线性相位累加 值为地址 ,取出存储在 ROM 表中对应的非线性幅值 ,其思路与 单片机软件实现正弦波一致 ,只不过单片机是程序顺序实现 , 而 DDS 芯片是硬件并行实现 ,所以产生的波形具有带宽宽 、转 换时间短 、频率分辨率高 、输出相位连续等优点 ,而且信号幅 值 、初相位 、频率均可编程 ,控制灵活方便 。
Hardware Realization Method for Generating SPWM Waves Based on AD9833
J IANG Ping1 ,ZHOU Gen2rong1 ,WANG Hai2jun2 ( 1. School of Electrical Engineering , Nantong Universiቤተ መጻሕፍቲ ባይዱy , Nantong 226007 , China ;