基于FPGA的DDS励磁恒流源设计

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2. 2 低通滤波模块

　　DDS有一个明显的缺点，即输出频率越接近Nyquist带宽的高端，采样点数越少，其输出的杂散干扰就越大。输出波形具有大量的谐波分量和系统时钟干扰。为得到所需频段内的信号，需要在DDS输出端加一滤波器来实现，而低通滤波器能较好地滤除杂波，平滑信号，所以低通滤波器的设计尤为重要，滤波特性的优劣对输出信号的性能起重要的影响。

　　为取得较好的滤波效果，滤波器采用了由四选一模拟开关和精密运算放大器分段滤波的方式：采用巴特沃斯有源低通滤波器，该滤波器通带内幅度很平坦，滤波电路为二阶巴特沃斯低通滤波电路，滤波器频段参数的选择由FPGA输出的控制信号nINH，S0，S1控制模拟开关的选通实现。

　　2．3 幅度控制

　　本设计幅度控制电路采用调节DAC参考电压的数字化控制方法，采用两个D／A级联的方式，数模转换器DAC2采用外部可变基准源，通过改变基准源的值来改变输出的满幅度电流值，该可变基准源通过DAC1产生。DAC1的基准电压采用输出电压为1．25 V精密电压基准芯片提供，设DAC1的幅度输出字为N1，则DAC1的参考电压为　　

　　设DAC2的数字输入字为N2，则经电流／电压转换后的输出电压为　　

　　2．4 人机交互

　　为方便快捷地控制DDS的频率字输入和幅度控制，本设计采用单片机来实现对DDS信号发生器的控制。DDS的频率字和幅度数据字位较多，而单片机输出端口位数有限，所以单片机与FPGA之间的通信采用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)方式，单片机将控制命令字传送给FPGA。同时，为了输入控制方便，添加了键盘和显示系统。

　　3 数字闭环控制系统的实现

　　设计的励磁恒流源主要为磁性测量仪器提供激励电源，因而对其精度和稳定性要求高，采用电流控制型的控制策略进行闭环控制，结构框图如图3所示。励磁电流幅度调整时，首先对励磁电流进行多周期采样，然后计算其有效值，并与输入设定值相比较，若误差ε在允许范围之外，则根据误差的实际情况，通过单片机内增量式PID算法得出了一个新的控制量，传送给FPGA控制幅度调节经低通滤波器滤去高频成分，再经功率放大，得到高精度的励磁电流。

　　4 系统仿真与验证分析

　　在Altera公司的QuartusⅡ环境下编译完成，采用自上而下的设计方法，即先从系统总体要求出发将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。完成DDS设计后，通过编写Testbench在Modelsim进行仿真。在QuartusⅡ中，设定输出信号频率为1 MHz，经过50 μs后改变为500 kHz进行仿真，其仿真结果如图4所示。在Modelsim中生成的仿真数据经验证完全正确，满足设计需求。

　　在对励磁信号源做硬件系统测试时，首先完成系统硬件连接，并加载程序，设定输出信号频率为1 MHz，示波器测得实际输出波形如图5所示。在Modelsim环境下仿真和在硬件平台上测试，结果表明励磁信号源可获得较好的设置波形，可以应用于磁性材料的测试中。

　　5 结束语

　　运用Verilog硬件编程语言结合DDS技术，利用FPGA器件强大的硬件功能，提高了系统集成度，实现了输出信号相对带宽宽、稳定性好；其相位累加器在一定系统时钟和累加器位宽条件，输出信号分辨率越小，频率控制字的传输时间以及器件响应时间都很短，使输出信号频率切换时间较短，可以达到ns级，且频率变化时，相位保持连续，系统采用闭环控制，励磁电流输出精度高，调节速度快。对磁性材料测量仪所要求的励磁信号源而言，本设计不但满足所有技术指标，而且集成度高、体积小、显著地降低了成本。