基于DDS的大功率变频标准源全数字化控制系统设计_王宁
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Abstract: For pressing needs of high-power variable frequency standards by the rapid developing of frequency conversion technology, a design scheme of the standards' digital control system based on DDS(AD9953) and Cortex-M3 MCU(STM32F107) is given. The design of sine wave generator, filter of DDS output and peripheral circuit of MPU is discussed and the key design parameter according to the design target of the standards is given. Proved by test results, this design scheme can meet the demands of the high-power variable frequency standards. Key Words:Frequency conversion technology Standards DDS
当AD9953频率调节字的范围为 0 FTW 231 时， 在10MHz的 系统工作频率下， AD9953的输出频率范围为：
作者简介:王宁,1974年生,男,山西太原人,硕士学历,高级工程师,主要研究方向为自动控制技术及电力电子技术; 廖积新,1991年生,男,湖南湘潭人,本科在读。
30
数字技术 与应用
US B_M icroAB receptacle
RS1 10K CN1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Vref Vs upply nTRST GND1 TDI GND2 TMS GND3 TCK GND4 RTCK GND5 TDO GND6 nS RST GND7 DBGRQ GND8 DBGACK GND9 JTAG 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
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， 为了适应变频技术的发展， 亟需研制大功率变频标准功率源。 在大功率数字变频标准源中， 控制系统是大功率数字变频源的 核心部分之一， 是变频源中的 “源” ， 其稳定性和控制精度直接影响 着变频源的稳定性， 因此要对控制系统的电路进行精心设计， 才能 保证变频源的性能。 控制系统采用全数字化电路技术实现， 由正弦波信号发生、 信 号滤波及放大、 中央处理器、 对外接口和电源这几部分电路组成,本 文将重点介绍全数字化控制系统各部分的设计方法。
数控技术
数字技术 与应用
基于 DDS 的大功率变频 标准源全数字化控制系统设计
王宁 1 廖积新 2
(1.银河电气有限公司 湖南长沙 410073； 2.东北大学信息科学与工程学院 辽宁沈阳 110819)
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 中图分类号:TN74 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2012)10-0030-03
X1 0.67740 F X6 0.10508 F X2 0.78198 H X7 1.78287 F X3 0.73284 F X8 0.989749 H X4 1.67455 F X9 0.425781 F X5 1.48249 H X10 0.848802 F
3.3VD
R1 1 0K U1A 23 MII_RX_CLK 24 MII_MDIO 25 26 29 DDS SCK 30 DDS SDO 31 DDS SDIO 32 MII _RX_CLK 67 68 69 R2 22R 70 R3 22R 71 TMS/SWDIO 72 TCK/SWCLK 76 TDI 77 OPA1 OPA0 OP2CS TDO/SWO TRST SCL SDA
设 计的滤波器特征阻抗 50 50 归 一化滤波器特征阻抗 1 电感变换： 电容变换： 其中 LF 和 C F 为 C CF / K ， L LF K ， K
经过截止频率变换的滤波器元件参数值。 最终可得所需的滤波器元件参数值如表2。 表 1 归一化 7 阶椭圆函数滤波器元件参数表
+5V
CN2 1 2 3 4 5 VBUS DM DP ID GND
PA0-WKUP PC1 5-O SC32_OUT PA1 PC14-OSC32_IN PA2 PC13-ANTI _TAMP PA3 PC12 PA4 PC11 PA5 PC10 PA6 PC9 PA7 PC8 PA8 PC7 PA9 PC6 PC5 PA10 PC4 PA11 PC3 PA12 PC2 PA13 PC1 PA14 PC0 PA15 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PB8 PB9 PB10 PB11 PB12 PB13 PB14 PB15 PD15 PD14 PD13 PD12 PD11 PD10 PD9 PD8 PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PD0 PE15 PE14 PE13 PE12 PE11 PE10 PE9 PE8 PE7 PE6 PE5 PE4 PE3 PE2 PE1 PE0
f s 为系统频率。 由此可见， 输出频率的最小分辨率为：
f o min f s / 232
由于变频源的频率分辨率要求小于0.01Hz， 即
1、正弦波信号发生电路
相对于其他正弦波产生技术， 直接数字频率合成技术具有频率 稳定度好、 频率分辨率高、 频率转换时间短、 相位可连续变化的优点 [1-4] ， 十分适合作为变频信号源使用， 因此大功率数字变频源中， 采 用DDS芯片作为正弦信号发生器。 目前DDS芯片的生产商主要集中在ADI、 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
f o min f s / 2 32 0.01Hz
得 f s 42949672.96 Hz 42.9 MH来自百度文库 即DDS的系统工作频率不能大于42.9MHz。 在此选择晶振频 率10MHz， 内部PLL倍频为1， 即系统工作频率为10MHz， 此时输出 频率的最小分辨率为：
f o min 10000000 Hz/ 232 0.0023Hz ，
Design of Digital Control System Based on DDS of High- power variable frequency Standards
Wang Ning1, Liao Ji-Xin2
1.Yinhe Electric Co Ltd, Changsha Hunan, 410073 2.College of information science and engineering, Northeastern university, 110819
2、DDS 输出滤波器设计
由于DDS采用全数字结构， 不可避免地引入了杂散[6]， 因此， 必 须设计低通滤波器滤去DDS输出信号中的镜像频率分量、 谐波分量 和高频杂散分量， 椭圆函数滤波器的性能较好， 比较适合作为DDS 的输出低通滤波器。 变频源的最高输出频率是400Hz， 与AD9953的10MHz时钟频 率之间相差非常远， 即 f o f c ， 为了尽可能的滤除掉各种杂散信 号和谐波分量， 提高输出信号的质量， 可以把低通滤波器的截止频 率设计的低些， 已获得在高频处的更大衰减量。 在本 电 路 中 ， 选 取 的 椭 圆 函 数 滤 波 器 为7 阶， 截止频率为 100kHz， 通带内起伏量为0.1dB， 阻带频率为130kHz， 最小阻带衰 减为60dB， 特征阻抗为50Ω。 其结构图如图1所示， 图中， X1,X3, X4,X6,X7,X9,X10为电容， X2,X5和X8为电感[7]。
MII_MDC
0
Shield 475900001
DO10 MII_TX_EN MII_TXD0 MII_TXD1 C2
2
DO11 DO12
35 36 37 89 90 91 92 93 95 96 47 48 51 52 53 54
DO1 4 DO1 3 PHY_RESET MII_RXD 1 MII_RXD 0 MII_RX_DV RXD TXD 1 2 3 4 U2 A0 A1 A2 GND VCC WP SCL SDA 8 7 6 5
( POW)/ 214 360 o 其中 为输出相位， 由此 POW 为写入到AD9953的相位偏移字， 得输出相位偏移的最小分辨率为
图 1 DDS 输出椭圆函数滤波器结构图 根据资料， 可查出特征阻抗为1Ω、 截止频率为1/(2π)Hz的 归一化的7阶椭圆函数滤波器的元件参数值如表1。 得到归一化的滤波器参数后， 再进行截止频率变换：
9 8 7 80 79 78 66 65 64 63 34 33 18 17 16 15 62 61 60 59 58 57 56 55 88 87 86 85 84 83 82 81 46 45 44 43 42 41 40 39 38 5 4 3 2 1 98 97
WP DASYNC OP1CS DADIN LED1 DASCK MII_INT
设 计 的滤 波器 截止 频 率 100000 6.283 10 5 归一 化滤 波 器截 止频 率 1/ 2 电感变换： LF LO / M ， 电容变换： C F CO / M ， 其中 LO 和 CO 为归一化滤波器的元件参数值。 最后进行阻抗变换： M
Min 1/ 214 360o 0.022o 满足变频源相位最小调整分辨率0.05° 的要求。
数控技术
X3 X2 X1 X6 X5 X4 X9 X8 X7 X10
0.0023Hz f o 5MHz 输出频率范围远大于变频源实际要求的输出频率范围5 ～ 400Hz。 综上， 当外部晶振频率为10MHz， 内部PLL倍频为1时， AD9953 的输出频率范围和输出频率分辨率均满足变频源的要求。 AD9953的相位偏移字的字长为14位， 输出相位偏移为
源和电流源的正弦信号发生器 [5]。 由于AD9953频率调节字的字长为32位， 因此其输出频率为
f o ( FTW )( f s )/ 232 ， 0 FTW 231 32 f o f s (1 - ( FTW / 2 )) ， 231 FTW 232 1
其中，f o 为输出频率， FTW 为写入到AD9953的频率调节字，
TRST TDI TMS /SWDI O TCK/SWCLK TDO/SWO RESET +5V
OPA2 DDS CS2
LED1 LED1 R4 360R 1 red 2
3.3VD DO1 DO3 DO5 DO7 DO9 DO1 1 DO1 3
J1 1 3 5 7 9 11 13 15 2 4 6 8 10 12 14 16 DO2 DO4 DO6 DO8 DO10 DO12 DO14
Header 8X2 3 .3 VD
当AD9953频率调节字的范围为 0 FTW 231 时， 在10MHz的 系统工作频率下， AD9953的输出频率范围为：
作者简介:王宁,1974年生,男,山西太原人,硕士学历,高级工程师,主要研究方向为自动控制技术及电力电子技术; 廖积新,1991年生,男,湖南湘潭人,本科在读。
30
数字技术 与应用
US B_M icroAB receptacle
RS1 10K CN1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Vref Vs upply nTRST GND1 TDI GND2 TMS GND3 TCK GND4 RTCK GND5 TDO GND6 nS RST GND7 DBGRQ GND8 DBGACK GND9 JTAG 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
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， 为了适应变频技术的发展， 亟需研制大功率变频标准功率源。 在大功率数字变频标准源中， 控制系统是大功率数字变频源的 核心部分之一， 是变频源中的 “源” ， 其稳定性和控制精度直接影响 着变频源的稳定性， 因此要对控制系统的电路进行精心设计， 才能 保证变频源的性能。 控制系统采用全数字化电路技术实现， 由正弦波信号发生、 信 号滤波及放大、 中央处理器、 对外接口和电源这几部分电路组成,本 文将重点介绍全数字化控制系统各部分的设计方法。
数控技术
数字技术 与应用
基于 DDS 的大功率变频 标准源全数字化控制系统设计
王宁 1 廖积新 2
(1.银河电气有限公司 湖南长沙 410073； 2.东北大学信息科学与工程学院 辽宁沈阳 110819)
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 中图分类号:TN74 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2012)10-0030-03
X1 0.67740 F X6 0.10508 F X2 0.78198 H X7 1.78287 F X3 0.73284 F X8 0.989749 H X4 1.67455 F X9 0.425781 F X5 1.48249 H X10 0.848802 F
3.3VD
R1 1 0K U1A 23 MII_RX_CLK 24 MII_MDIO 25 26 29 DDS SCK 30 DDS SDO 31 DDS SDIO 32 MII _RX_CLK 67 68 69 R2 22R 70 R3 22R 71 TMS/SWDIO 72 TCK/SWCLK 76 TDI 77 OPA1 OPA0 OP2CS TDO/SWO TRST SCL SDA
设 计的滤波器特征阻抗 50 50 归 一化滤波器特征阻抗 1 电感变换： 电容变换： 其中 LF 和 C F 为 C CF / K ， L LF K ， K
经过截止频率变换的滤波器元件参数值。 最终可得所需的滤波器元件参数值如表2。 表 1 归一化 7 阶椭圆函数滤波器元件参数表
+5V
CN2 1 2 3 4 5 VBUS DM DP ID GND
PA0-WKUP PC1 5-O SC32_OUT PA1 PC14-OSC32_IN PA2 PC13-ANTI _TAMP PA3 PC12 PA4 PC11 PA5 PC10 PA6 PC9 PA7 PC8 PA8 PC7 PA9 PC6 PC5 PA10 PC4 PA11 PC3 PA12 PC2 PA13 PC1 PA14 PC0 PA15 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PB8 PB9 PB10 PB11 PB12 PB13 PB14 PB15 PD15 PD14 PD13 PD12 PD11 PD10 PD9 PD8 PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PD0 PE15 PE14 PE13 PE12 PE11 PE10 PE9 PE8 PE7 PE6 PE5 PE4 PE3 PE2 PE1 PE0
f s 为系统频率。 由此可见， 输出频率的最小分辨率为：
f o min f s / 232
由于变频源的频率分辨率要求小于0.01Hz， 即
1、正弦波信号发生电路
相对于其他正弦波产生技术， 直接数字频率合成技术具有频率 稳定度好、 频率分辨率高、 频率转换时间短、 相位可连续变化的优点 [1-4] ， 十分适合作为变频信号源使用， 因此大功率数字变频源中， 采 用DDS芯片作为正弦信号发生器。 目前DDS芯片的生产商主要集中在ADI、 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
f o min f s / 2 32 0.01Hz
得 f s 42949672.96 Hz 42.9 MH来自百度文库 即DDS的系统工作频率不能大于42.9MHz。 在此选择晶振频 率10MHz， 内部PLL倍频为1， 即系统工作频率为10MHz， 此时输出 频率的最小分辨率为：
f o min 10000000 Hz/ 232 0.0023Hz ，
Design of Digital Control System Based on DDS of High- power variable frequency Standards
Wang Ning1, Liao Ji-Xin2
1.Yinhe Electric Co Ltd, Changsha Hunan, 410073 2.College of information science and engineering, Northeastern university, 110819
2、DDS 输出滤波器设计
由于DDS采用全数字结构， 不可避免地引入了杂散[6]， 因此， 必 须设计低通滤波器滤去DDS输出信号中的镜像频率分量、 谐波分量 和高频杂散分量， 椭圆函数滤波器的性能较好， 比较适合作为DDS 的输出低通滤波器。 变频源的最高输出频率是400Hz， 与AD9953的10MHz时钟频 率之间相差非常远， 即 f o f c ， 为了尽可能的滤除掉各种杂散信 号和谐波分量， 提高输出信号的质量， 可以把低通滤波器的截止频 率设计的低些， 已获得在高频处的更大衰减量。 在本 电 路 中 ， 选 取 的 椭 圆 函 数 滤 波 器 为7 阶， 截止频率为 100kHz， 通带内起伏量为0.1dB， 阻带频率为130kHz， 最小阻带衰 减为60dB， 特征阻抗为50Ω。 其结构图如图1所示， 图中， X1,X3, X4,X6,X7,X9,X10为电容， X2,X5和X8为电感[7]。
MII_MDC
0
Shield 475900001
DO10 MII_TX_EN MII_TXD0 MII_TXD1 C2
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DO11 DO12
35 36 37 89 90 91 92 93 95 96 47 48 51 52 53 54
DO1 4 DO1 3 PHY_RESET MII_RXD 1 MII_RXD 0 MII_RX_DV RXD TXD 1 2 3 4 U2 A0 A1 A2 GND VCC WP SCL SDA 8 7 6 5
( POW)/ 214 360 o 其中 为输出相位， 由此 POW 为写入到AD9953的相位偏移字， 得输出相位偏移的最小分辨率为
图 1 DDS 输出椭圆函数滤波器结构图 根据资料， 可查出特征阻抗为1Ω、 截止频率为1/(2π)Hz的 归一化的7阶椭圆函数滤波器的元件参数值如表1。 得到归一化的滤波器参数后， 再进行截止频率变换：
9 8 7 80 79 78 66 65 64 63 34 33 18 17 16 15 62 61 60 59 58 57 56 55 88 87 86 85 84 83 82 81 46 45 44 43 42 41 40 39 38 5 4 3 2 1 98 97
WP DASYNC OP1CS DADIN LED1 DASCK MII_INT
设 计 的滤 波器 截止 频 率 100000 6.283 10 5 归一 化滤 波 器截 止频 率 1/ 2 电感变换： LF LO / M ， 电容变换： C F CO / M ， 其中 LO 和 CO 为归一化滤波器的元件参数值。 最后进行阻抗变换： M
Min 1/ 214 360o 0.022o 满足变频源相位最小调整分辨率0.05° 的要求。
数控技术
X3 X2 X1 X6 X5 X4 X9 X8 X7 X10
0.0023Hz f o 5MHz 输出频率范围远大于变频源实际要求的输出频率范围5 ～ 400Hz。 综上， 当外部晶振频率为10MHz， 内部PLL倍频为1时， AD9953 的输出频率范围和输出频率分辨率均满足变频源的要求。 AD9953的相位偏移字的字长为14位， 输出相位偏移为
源和电流源的正弦信号发生器 [5]。 由于AD9953频率调节字的字长为32位， 因此其输出频率为
f o ( FTW )( f s )/ 232 ， 0 FTW 231 32 f o f s (1 - ( FTW / 2 )) ， 231 FTW 232 1
其中，f o 为输出频率， FTW 为写入到AD9953的频率调节字，
TRST TDI TMS /SWDI O TCK/SWCLK TDO/SWO RESET +5V
OPA2 DDS CS2
LED1 LED1 R4 360R 1 red 2
3.3VD DO1 DO3 DO5 DO7 DO9 DO1 1 DO1 3
J1 1 3 5 7 9 11 13 15 2 4 6 8 10 12 14 16 DO2 DO4 DO6 DO8 DO10 DO12 DO14
Header 8X2 3 .3 VD