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(wěn)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(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)定度和精度等指標都不高.現(xiàn)在數(shù)字化發(fā)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(tǒng).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(xiàn)調頻電流源的設計,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,提高了調頻電流源的精度和穩(wěn)定度.

1 調頻電流源系統(tǒng)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(wěn)定度.

該調頻電流源系統(tǒng)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(wěn)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(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(xiàn)依賴于高速數(shù)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(shù);N 為相位累加器的字長;L 為查找表的數(shù)據線位數(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(shù)/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(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技術為這類高精度且頻率可調的電流源的設計與實現(xiàn)提供了理論依據與技術支持.