調頻電流源技術的研究

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.