调频电流源技术的研究

0 引言

调频电流源作为电流源的一种,需为负载提供稳定的电流的仪器,目前市场上,频率可调的电流源较少,多为频率固定的恒流源,在一些测量里,需要用到频率可调的电流源,例如测量人体阻抗网络,就需要用到频率可调的电流源.传统的电流源电路多采用模拟电路来实现,输出的频率稳定度和精度等指标都不高.现在数字化发展越来越快,DDS技术的应用越来越广泛.应用DDS技术能够产生频率快速转换.分辨率高.相位可控的信号.这在电子测量.雷达系统.调频通信等领域具有十分重要的作用.本文采用DDS 技术产生一个频率可调的正弦信号来实现调频电流源的设计,它可以实现0~1 MHz信号的输出,通过信号放大电路.滤波电路.电压-电流电路来实现交流电流的输出,提高了调频电流源的精度和稳定度.

1 调频电流源系统的设计

调频电流源的原理框图如图1所示,由信号源产生一个正弦的交流信号,经过电压-电流转换得到一个交流的电流信号,经过反馈控制保证电流信号的稳定度.

该调频电流源系统设计如图2所示.由原理图可知整个调频电流源包括ARM 控制DDS正弦波产生电路.信号放大电路.低通滤波电路和电压-电流转换电路.

电路工作原理:通过键盘输入需要调频电流源需要输出的电流值大小以及频率值,由ARM 写控制字到DDS,由DDS输出相应的正弦信号,若需要输出为直流,则不需要产生相应的正弦信号,正弦信号通过信号放大电路得到一个较大幅度的正弦信号,该信号通过低通滤波器,输出电压-电流转换电路,得到相应的电流信号.

为了维持输出电流信号的稳定度,将输出信号经过取样电阻以及峰值检波电路反馈到ARM 控制器,通过A/D采样,读取输出信号的最大值,由ARM 进行反馈调节,从来保证了信号的稳定度.其中低通滤波器主要滤除不需要的谐波,减少干扰;RS 232为通信端口.

1.1 信号源

该调频电流源的信号源是由ARM 控制DDS 输出一个正弦信号来实现,其连接如图3 所示.ARM 控制DDS输出一个信号的频率以及幅度可调的正弦信号.

DDS的基本结构主要包括相位累加器.相位寄存器和波形查找表.DDS技术的实现依赖于高速数字电路,其工作速度主要受D/A转换器的限制.DDS的基本结构如图4所示.

图中:K 为频率控制字;n 为查找表的地址线位数;N 为相位累加器的字长;L 为查找表的数据线位数,即DAC的分辨率;fc为系统参考时钟.DDS系统在参考时钟fc的作用下,相位累加器(由N 位加法器和N 位相位寄存器组成)对频率控制字K 进行线性累加,将结果的高n 位作为查找地址进行相位幅度转换,产生L 位幅度量化值,再由数/模转换器进行转换.相位累加器作为DDS的核心,不断地对频率控制字进行累加,累加器的溢出频率就是输出信号的频率.DDS的输出信号频率为:

当K=1时,DDS系统输出频率最小也就是DDS系统的频率分辨率,扫频信号源频率分辨率直接取决于DDS的频率分辨率:

DDS输出信号是对周期信号的合成,由奈奎斯特采样定理可知,最大输出频率为:

所以K 的取值范围为:

因此,DDS技术为这类高精度且频率可调的电流源的设计与实现提供了理论依据与技术支持.

1.2 低通滤波器

DDS 技术的原理是将存储在ROM中的正弦曲线采样点读取并经过转换与平滑滤波后输出连续的正弦波信号.由于采样点的个数以及量化误差都会生成噪声信号,DDS 输出的模拟信号必须经过低通滤波器以滤除附加在较低频率信号上的高频数字伪信号.本设计中采用OPA603构成一个二阶的巴特沃斯低通滤波器,该低通滤波器的外围电路简单易实现.本文设计的截止频率为1 MHz的巴特沃斯低通滤波器电路如图5所示.

该低通滤波器的截止频率的计算公式为:

取R=1.5 kΩ,C=100 pF,根据公式可得:

1.3 电压-电流转换

在该设计中使用改进型的Howland 电流泵将正弦电压信号转化为正弦电流信号.Howland 电流泵原理图如图6所示.

电流泵的输出电阻Ro = ∞ .常规的电压转换为采用的是并联电流负反馈电路,此电路输出电压柔性较差,电压输出效率低,因为取样电阻要占掉很大一部分的电压,并且常规的压控电流源不能实现一端接地,这也是并联电流负反馈本身的缺陷.如图7所示,改进型的Howland 电流泵,具有较高的输出电压柔性,并且另一端可以接地,较常规的Howland 电流泵的是,引入了两个反馈电流,这样便于电阻的筛选,并且在一定程度上抑制了由于电阻不匹配而引起的振荡现象.

2 仿真结果

通过几组不同的实验来验证系统的工作指标.

在改变负载的情况下,测量系统的电流值,DDS输出一个Vp=2 V,f=100 kHz的正弦波,用交流电流表来检测,输出结果为有效值,结果如表1所示.用同一个负载进行测试,改变输出电压的频率值,峰值不变,用交流电流表来检测,输出结果为有效值,结果如表1所示.

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