0 引言
調頻電流源作為電流源的一種,需為負載提供穩定的電流的儀器,目前市場上,頻率可調的電流源較少,多為頻率固定的恒流源,在一些測量里,需要用到頻率可調的電流源,例如測量人體阻抗網絡,就需要用到頻率可調的電流源.傳統的電流源電路多采用模擬電路來實現,輸出的頻率穩定度和精度等指標都不高.現在數字化發展越來越快,DDS技術的應用越來越廣泛.應用DDS技術能夠產生頻率快速轉換.分辨率高.相位可控的信號.這在電子測量.雷達系統.調頻通信等領域具有十分重要的作用.本文采用DDS 技術產生一個頻率可調的正弦信號來實現調頻電流源的設計,它可以實現0~1 MHz信號的輸出,通過信號放大電路.濾波電路.電壓-電流電路來實現交流電流的輸出,提高了調頻電流源的精度和穩定度.
1 調頻電流源系統的設計
調頻電流源的原理框圖如圖1所示,由信號源產生一個正弦的交流信號,經過電壓-電流轉換得到一個交流的電流信號,經過反饋控制保證電流信號的穩定度.
該調頻電流源系統設計如圖2所示.由原理圖可知整個調頻電流源包括ARM 控制DDS正弦波產生電路.信號放大電路.低通濾波電路和電壓-電流轉換電路.
電路工作原理:通過鍵盤輸入需要調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輸出相應的正弦信號,若需要輸出為直流,則不需要產生相應的正弦信號,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-電流轉換電路,得到相應的電流信號.
為了維持輸出電流信號的穩定度,將輸出信號經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 進行反饋調節,從來保證了信號的穩定度.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,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的正弦信號.
DDS的基本結構主要包括相位累加器.相位寄存器和波形查找表.DDS技術的實現依賴于高速數字電路,其工作速度主要受D/A轉換器的限制.DDS的基本結構如圖4所示.
圖中:K 為頻率控制字;n 為查找表的地址線位數;N 為相位累加器的字長;L 為查找表的數據線位數,即DAC的分辨率;fc為系統參考時鐘.DDS系統在參考時鐘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 進行線性累加,將結果的高n 位作為查找地址進行相位幅度轉換,產生L 位幅度量化值,再由數/模轉換器進行轉換.相位累加器作為DDS的核心,不斷地對頻率控制字進行累加,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K=1時,DDS系統輸出頻率最小也就是DDS系統的頻率分辨率,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技術為這類高精度且頻率可調的電流源的設計與實現提供了理論依據與技術支持.
1.2 低通濾波器
DDS 技術的原理是將存儲在ROM中的正弦曲線采樣點讀取并經過轉換與平滑濾波后輸出連續的正弦波信號.由于采樣點的個數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過低通濾波器以濾除附加在較低頻率信號上的高頻數字偽信號.本設計中采用OPA603構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.本文設計的截止頻率為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,根據公式可得:
1.3 電壓-電流轉換
在該設計中使用改進型的Howland 電流泵將正弦電壓信號轉化為正弦電流信號.Howland 電流泵原理圖如圖6所示.
電流泵的輸出電阻Ro = ∞ .常規的電壓轉換為采用的是并聯電流負反饋電路,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,并且常規的壓控電流源不能實現一端接地,這也是并聯電流負反饋本身的缺陷.如圖7所示,改進型的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象.
2 仿真結果
通過幾組不同的實驗來驗證系統的工作指標.
在改變負載的情況下,測量系統的電流值,DDS輸出一個Vp=2 V,f=100 kHz的正弦波,用交流電流表來檢測,輸出結果為有效值,結果如表1所示.用同一個負載進行測試,改變輸出電壓的頻率值,峰值不變,用交流電流表來檢測,輸出結果為有效值,結果如表1所示.
3 結語
本文設計的調頻電流源采用DDS 芯片AD9852,頻率設置快速方便靈活,信號幅度可調;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;改進的Howland 電流泵可得到穩定的交流電流信號.本設計還有需要改進的地方,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.