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,在一些測量里,需要用到頻率可調(diào)的電流源,例如測量人體阻抗網(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實現(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)展越來越快,DDS技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛.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.這在電子測量.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)生一個頻率可調(diào)的正弦信號來實現(xiàn)調(diào)頻電流源的設(shè)計,它可以實現(xiàn)0~1 MHz信號的輸出,通過信號放大電路.濾波電路.電壓-電流電路來實現(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

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

該調(diào)頻電流源系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示.由原理圖可知整個調(diào)頻電流源包括ARM 控制DDS正弦波產(chǎn)生電路.信號放大電路.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,若需要輸出為直流,則不需要產(chǎn)生相應(yīng)的正弦信號,正弦信號通過信號放大電路得到一個較大幅度的正弦信號,該信號通過低通濾波器,輸出電壓-電流轉(zhuǎn)換電路,得到相應(yīng)的電流信號.

為了維持輸出電流信號的穩(wěn)定度,將輸出信號經(jīng)過取樣電阻以及峰值檢波電路反饋到ARM 控制器,通過A/D采樣,讀取輸出信號的最大值,由ARM 進(jìn)行反饋調(diào)節(jié),從來保證了信號的穩(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 信號源

該調(diào)頻電流源的信號源是由ARM 控制DDS 輸出一個正弦信號來實現(xiàn),其連接如圖3 所示.ARM 控制DDS輸出一個信號的頻率以及幅度可調(diào)的正弦信號.

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;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)參考時鐘.DDS系統(tǒng)在參考時鐘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,不斷地對頻率控制字進(jìn)行累加,累加器的溢出頻率就是輸出信號的頻率.DDS的輸出信號頻率為:

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

DDS輸出信號是對周期信號的合成,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)計與實現(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)的原理是將存儲在ROM中的正弦曲線采樣點讀取并經(jīng)過轉(zhuǎn)換與平滑濾波后輸出連續(xù)的正弦波信號.由于采樣點的個數(shù)以及量化誤差都會生成噪聲信號,DDS 輸出的模擬信號必須經(jīng)過低通濾波器以濾除附加在較低頻率信號上的高頻數(shù)字偽信號.本設(shè)計中采用OPA603構(gòu)成一個二階的巴特沃斯低通濾波器,該低通濾波器的外圍電路簡單易實現(xiàn).本文設(shè)計的截止頻率為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)計中使用改進(jìn)型的Howland 電流泵將正弦電壓信號轉(zhuǎn)化為正弦電流信號.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,因為取樣電阻要占掉很大一部分的電壓,并且常規(guī)的壓控電流源不能實現(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

通過幾組不同的實驗來驗證系統(tǒng)的工作指標(biāo).

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

3 結(jié)語

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