0 引言

調(diào)頻電流源作為電流源的一種,需為負(fù)載提供穩(wěn)定的電流的儀器,目前市場(chǎng)上,頻率可調(diào)的電流源較少,多為頻率固定的恒流源,在一些測(cè)量里,需要用到頻率可調(diào)的電流源,例如測(cè)量人體阻抗網(wǎng)絡(luò),就需要用到頻率可調(diào)的電流源.傳統(tǒng)的電流源電路多采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn),輸出的頻率穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高.現(xiàn)在數(shù)字化發(fā)展越來(lái)越快,DDS技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.應(yīng)用DDS技術(shù)能夠產(chǎn)生頻率快速轉(zhuǎn)換.分辨率高.相位可控的信號(hào).這在電子測(cè)量.雷達(dá)系統(tǒng).調(diào)頻通信等領(lǐng)域具有十分重要的作用.本文采用DDS 技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)頻率可調(diào)的正弦信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻電流源的設(shè)計(jì),它可以實(shí)現(xiàn)0~1 MHz信號(hào)的輸出,通過(guò)信號(hào)放大電路.濾波電路.電壓-電流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)交流電流的輸出,提高了調(diào)頻電流源的精度和穩(wěn)定度.

1 調(diào)頻電流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

調(diào)頻電流源的原理框圖如圖1所示,由信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)正弦的交流信號(hào),經(jīng)過(guò)電壓-電流轉(zhuǎn)換得到一個(gè)交流的電流信號(hào),經(jīng)過(guò)反饋控制保證電流信號(hào)的穩(wěn)定度.

該調(diào)頻電流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示.由原理圖可知整個(gè)調(diào)頻電流源包括ARM 控制DDS正弦波產(chǎn)生電路.信號(hào)放大電路.低通濾波電路和電壓-電流轉(zhuǎn)換電路.

電路工作原理:通過(guò)鍵盤輸入需要調(diào)頻電流源需要輸出的電流值大小以及頻率值,由ARM 寫控制字到DDS,由DDS輸出相應(yīng)的正弦信號(hào),若需要輸出為直流,則不需要產(chǎn)生相應(yīng)的正弦信號(hào),正弦信號(hào)通過(guò)信號(hào)放大電路得到一個(gè)較大幅度的正弦信號(hào),該信號(hào)通過(guò)低通濾波器,輸出電壓-電流轉(zhuǎn)換電路,得到相應(yīng)的電流信號(hào).

為了維持輸出電流信號(hào)的穩(wěn)定度,將輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)取樣電阻以及峰值檢波電路反饋到ARM 控制器,通過(guò)A/D采樣,讀取輸出信號(hào)的最大值,由ARM 進(jìn)行反饋調(diào)節(jié),從來(lái)保證了信號(hào)的穩(wěn)定度.其中低通濾波器主要濾除不需要的諧波,減少干擾;RS 232為通信端口.

1.1 信號(hào)源

該調(diào)頻電流源的信號(hào)源是由ARM 控制DDS 輸出一個(gè)正弦信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn),其連接如圖3 所示.ARM 控制DDS輸出一個(gè)信號(hào)的頻率以及幅度可調(diào)的正弦信號(hào).

DDS的基本結(jié)構(gòu)主要包括相位累加器.相位寄存器和波形查找表.DDS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于高速數(shù)字電路,其工作速度主要受D/A轉(zhuǎn)換器的限制.DDS的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖中:K 為頻率控制字;n 為查找表的地址線位數(shù);N 為相位累加器的字長(zhǎng);L 為查找表的數(shù)據(jù)線位數(shù),即DAC的分辨率;fc為系統(tǒng)參考時(shí)鐘.DDS系統(tǒng)在參考時(shí)鐘fc的作用下,相位累加器(由N 位加法器和N 位相位寄存器組成)對(duì)頻率控制字K 進(jìn)行線性累加,將結(jié)果的高n 位作為查找地址進(jìn)行相位幅度轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生L 位幅度量化值,再由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換.相位累加器作為DDS的核心,不斷地對(duì)頻率控制字進(jìn)行累加,累加器的溢出頻率就是輸出信號(hào)的頻率.DDS的輸出信號(hào)頻率為:

當(dāng)K=1時(shí),DDS系統(tǒng)輸出頻率最小也就是DDS系統(tǒng)的頻率分辨率,掃頻信號(hào)源頻率分辨率直接取決于DDS的頻率分辨率:

DDS輸出信號(hào)是對(duì)周期信號(hào)的合成,由奈奎斯特采樣定理可知,最大輸出頻率為:

所以K 的取值范圍為:

因此,DDS技術(shù)為這類高精度且頻率可調(diào)的電流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)與技術(shù)支持.[!--empirenews.page--]

1.2 低通濾波器

DDS 技術(shù)的原理是將存儲(chǔ)在ROM中的正弦曲線采樣點(diǎn)讀取并經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換與平滑濾波后輸出連續(xù)的正弦波信號(hào).由于采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)以及量化誤差都會(huì)生成噪聲信號(hào),DDS 輸出的模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)低通濾波器以濾除附加在較低頻率信號(hào)上的高頻數(shù)字偽信號(hào).本設(shè)計(jì)中采用OPA603構(gòu)成一個(gè)二階的巴特沃斯低通濾波器,該低通濾波器的外圍電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn).本文設(shè)計(jì)的截止頻率為1 MHz的巴特沃斯低通濾波器電路如圖5所示.

該低通濾波器的截止頻率的計(jì)算公式為:

取R=1.5 kΩ,C=100 pF,根據(jù)公式可得:

1.3 電壓-電流轉(zhuǎn)換

在該設(shè)計(jì)中使用改進(jìn)型的Howland 電流泵將正弦電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為正弦電流信號(hào).Howland 電流泵原理圖如圖6所示.

電流泵的輸出電阻Ro = ∞ .常規(guī)的電壓轉(zhuǎn)換為采用的是并聯(lián)電流負(fù)反饋電路,此電路輸出電壓柔性較差,電壓輸出效率低,因?yàn)槿与娮枰嫉艉艽笠徊糠值碾妷?并且常規(guī)的壓控電流源不能實(shí)現(xiàn)一端接地,這也是并聯(lián)電流負(fù)反饋本身的缺陷.如圖7所示,改進(jìn)型的Howland 電流泵,具有較高的輸出電壓柔性,并且另一端可以接地,較常規(guī)的Howland 電流泵的是,引入了兩個(gè)反饋電流,這樣便于電阻的篩選,并且在一定程度上抑制了由于電阻不匹配而引起的振蕩現(xiàn)象.

2 仿真結(jié)果

通過(guò)幾組不同的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的工作指標(biāo).

在改變負(fù)載的情況下,測(cè)量系統(tǒng)的電流值,DDS輸出一個(gè)Vp=2 V,f=100 kHz的正弦波,用交流電流表來(lái)檢測(cè),輸出結(jié)果為有效值,結(jié)果如表1所示.用同一個(gè)負(fù)載進(jìn)行測(cè)試,改變輸出電壓的頻率值,峰值不變,用交流電流表來(lái)檢測(cè),輸出結(jié)果為有效值,結(jié)果如表1所示.

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的調(diào)頻電流源采用DDS 芯片AD9852,頻率設(shè)置快速方便靈活,信號(hào)幅度可調(diào);低通濾波器使用芯片OPA603,濾除雜波信號(hào)以及高頻信號(hào),使得信號(hào)純度更高;改進(jìn)的Howland 電流泵可得到穩(wěn)定的交流電流信號(hào).本設(shè)計(jì)還有需要改進(jìn)的地方,隨著頻率的變化輸出的電流值也在變化,這一缺點(diǎn)會(huì)影響電流源的工作精度,有待改進(jìn).