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实现数字三相波形合成的低价数字DAC

SA González?? Universidad de Mar de Plata?? Argentina?? and R García-Gil?? J Castelló?? and JM Espí?? Universidad de Valencia?? Spain?? 2008年11月01日 ?? 收藏0

  很多应用都涉及采用微控制器或 DSP 作数字控制的三相正弦波数字合成,如交流电机驱动器、有源功率滤波器,以及电网电压合成器。用普通模拟技术(参考文献 1)或 DDS(直接数字合成)就可以完成这种合成。数字技术有更高的稳定性,并且能包含对频率、相位和幅度的调节。对于需要 16 bit 以上更高分辨率的应用,三相信号合成、DDS 方法要使用微控制器或 DSP 与多个 DAC 接口。这种方法不仅要使用大量器件,并且还需要很多支持元件和电路板空间。尽管一个器件可以有 4、8、32 甚至更多的多输出串行控制的 DAC,但 DAC 付出了多个通道的代价,得到的位数却不多。因此,使用多输出 DAC 不具备太大的吸引力。

图1此方法用少量元件实现了三相DDSARM处理器中的代码能够以1618或20bit分辨率实现任何频率相位和幅度的调节


  还有一个方法,可以用移动寄存器或开关电容滤波器,但这种方法也有多只元件的问题,并且缺乏对相位和幅度的调节,因此对高分辨率 DDS 不太可行(参考文献 2)。反之,立体声 DAC 到处都能找到。广泛应用使它们成为了低成本、高质量的元件。例如,NXP UDA1330ATS 有一个 I2S 串行数据格式接口,字长为 16、18 和 20 bit,采样频率为 8 至 55 kHz(参考文献 3)。这些特性使 DAC 对少量元件的三相 DDS 有吸引力。

图2波形1和2表示Dac的输出电压波形4是第三通道由一个反相的求和运放提供


  本设计实例采用一个 ARM 微控制器(IC1)、一只立体声 DAC(IC2)和一个运放(IC3)实现了 DDS 技术(图 1)。程序清单1 中的 ARM AT91SAM7X256 代码生成一个表,表中包含所需分辨率和长度的余弦函数。表中给出了 cos(α+2/3π) 和 cos(α–2/3π)。ARM 使用 ISR(中断服务例程)上的中断,在输出缓冲空闲的任何时候通过 I2S 串行格式发送数据。程序清单2 显示如何实现一个发送数据的 ISR。IC2 提供电压输出 VA 与 VB,它们是用于 5V p-p 峰峰值最大幅度(但偏移 2.5V)的三个信号中的两个。你可以用两个通道推导出第三个通道。用一个反相求和运放(IC3)和 2.5V DAC 基准(用于消除偏移)就可以很容易实现这一运算。在这种情况下,RF=RA=RB=10 kΩ 以获得单一增益,如果找不到精确匹配的电阻,可以在反相脚加一个电位计,以准确抑制偏移。

  图 2 是三相波形的合成。有一个设计技巧应记住,即由于采用了 I2S 接口,输出有固有的相位延迟。对音频应用可以忽略这个延迟(准确值为 1/fs),但在电源系统中它可能成为问题。这一延迟的直接解决办法是用一个负相位延迟对第二个通道作同步,补偿这个固有延迟。图 2 表示输出通道之间没有相位延迟,但通道间有 120° 的相对相位。由于只需要 120° 的相对相位差,因此可以输出除纯正弦以外的信号。此外,有源电源滤波器也可以获益于一个高阶谐波的三面基准信号。

  参考文献
  1. Dutcher, Al, “Inverters form three-phase VCO,” EDN, Aug 2, 2001, pg 102.
  2. Perez-Lobato, Eduardo, “Three-phase sinusoidal-waveform generator uses PLD,” EDN, Oct 12, 2006, pg 104.
  3. “Low-cost stereo filter DAC,” NXP.


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DAC? 三相波形? 微控制器? DSP?

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