CN104617931B - 基于直接数字式频率合成器的spwm信号发生电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路，其采用了直接数字式频率合成器产生SPWM电路中的正弦波信号，结合分频器和积分电路产生的三角波信号使用自然采样获得的双极性SPWM信号，使得其逆变还原的正弦波信号的失真最小，并借助直接数字式频率合成器的特点，克服了现有技术中SPWM信号的生成采用纯模拟电路方案的不足和纯软件编程方案的缺点，还同时保留了现有技术中纯模拟电路方案和纯软件编程方案各自的优点，使得输出的SPWM信号能够满足波形失真度低，信号频率和幅度的精确度高，信号频率的可调范围大、稳定度好、频率分辨率小等技术要求，有效的帮助推动SPWM应用技术性能的发展。

Description

基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术和脉冲调制信号技术领域，具体涉及一种基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路。

背景技术

正弦脉宽调制波（SPWM），就是在脉宽调制波（PWM）的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器、变频器、交流电源等领域，通常在这些产品中都是利用SPWM信号激励全桥变换电路，然后经过低通滤波后得到正弦波信号，并通过整机信号输出端输出。

然而，在很多正弦脉宽调制相关产品应用领域中，都对SPWM信号有着较高的技术要求。例如，在设备维修、仪表校准和科学研究等应用场合，往往需要使用较大功率交流电源，要求该电源输出信号的波形失真度低，输出信号频率的精确度高、稳定性好、可变范围大、分辨率小，输出信号的幅度可控。若该交流电源采用SPWM方式来实现，则要求SPWM信号还原的正弦信号具备波形失真度低，频率精确度高、稳定性好、可变范围大、分辨率小，信号幅度可控。其中的研发技术的难点之一，就是如何生成满足上述要求的SPWM信号。

在现有技术中，正弦脉宽调制波（SPWM）的生成方法，主要有硬件模拟电路与软件编程两种实现方式。硬件模拟电路生成方式较为传统，其模拟电路主要由分立器件分别产生三角波与正弦波，然后通过比较器合成得到SPWM波形，这样产生的SPWM信号的频率和幅度精度都比较高，但缺点是缺乏控制的灵活性，因受到所选用模拟器件的限制其频率可调范围非常小（通常频带宽度仅为几kHz），并且无法通过程序控制来调节SPWM信号的频率和幅度，因此不便于与程控***相集成而组成闭环控制***加以应用。随着微控制器的发展，DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）、FPGA（Field Programmable GateArray，现场可编程门阵列）、SOC（System on a Chip，***级芯片，也称为片上***）等先进高速微处理器的出现，使得可以通过对微处理器进行软件编程，由微处理器实时计算直接输出SPWM波形，软件编程生成SPWM信号的方式可以节省大量的外部模拟电路，使电路***得到简化，并且方便通过程序控制来对SPWM信号进行调节；但是由于微处理器计算能力有限，由其直接计算得到的SPWM波形往往有着载波比低，波形失真大，信号稳定性差，分辨率较大，***资源占用率较高等缺点。

可以看到，由于现有技术中SPWM信号的生成采用纯模拟电路方案的不足和纯软件编程方案的缺点，其产生的SPWM信号都难以同时满足波形失真度低，信号频率和幅度的精确度高，并且信号频率的可调范围大、稳定度好、频率分辨率小等技术要求，成为了限制正弦脉宽调制相关产品技术性能发展的重要因素。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路，其生成输出的SPWM信号能够满足波形失真度低，信号频率和幅度的精确度高，并且信号频率的可调范围大、稳定度好、频率分辨率小等技术要求，用以解决现有技术中SPWM信号生成方案对限制正弦脉宽调制相关产品技术性能发展造成限制的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路，包括晶体振荡器、直接数字式频率合成器、低通滤波器、分频器、积分电路、脉宽调制器、同相门电路、反相门电路、第一上升沿延时电路、第二上升沿延时电路及四个与门电路；其中：

晶体振荡器输出CMOS电平的时钟信号至直接数字式频率合成器和分频器的时钟信号输入端；

直接数字式频率合成器的频率设置输入端连接至频率设置数字信号源，幅值设置输入端连接至幅值设置模拟信号源，直接数字式频率合成器的正弦信号输出端通过低通滤波器连接至脉宽调制器的调制信号输入端；

分频器的分频信号输出端连接至积分电路的信号输入端，积分电路的三角波信号输出端连接至脉宽调制器的载波信号输入端；

脉宽调制器的SPWM信号输出端分别连接至同相门电路和反相门电路的信号输入端；

同相门电路的同相信号输出端通过第一上升沿延时电路分别连接至第一与门电路的一个信号输入端和第二与门电路的一个信号输入端；反向门电路的反相信号输出端通过第二上升沿延时电路分别连接至第三与门电路的一个信号输入端和第四与门电路的一个信号输入端；第一上升沿延时电路和第二上升沿延时电路具有相同的传输延时；

第一与门电路、第二与门电路、第三与门电路、第四与门电路的另一个信号输入端并联连接至控制信号电平，第一与门电路、第二与门电路、第三与门电路和第四与门电路的输出端输出的四路SPWM信号分别去激励全桥变换电路的左半桥上臂、右半桥下臂、左半桥下臂和右半桥上臂。

上述的SPWM信号发生电路中，作为进一步改进方案，还包括幅值设置模拟信号源电路；幅值设置模拟信号源电路包括交流电压采样变换电路、数模转换器和误差放大器；交流电压采样变换电路的采样输入端并联至由四个与门电路输出的SPWM信号所激励而输出正弦波信号的整机信号输出端，交流电压采样变换电路的电压信号输出端连接至误差放大器的比较输入端；数模转换器的数字信号输入端作为幅值设置程控信号的输入端，数模转换器的模拟信号输出端连接至误差放大器的基准输入端；误差放大器的放大信号输出端与直接数字式频率合成器的幅值设置输入端相连接。

上述的SPWM信号发生电路中，作为优选方案，所述直接数字式频率合成器采用型号为AD9850的DDS芯片。

上述的SPWM信号发生电路中，作为优选方案，所述晶体振荡器采用温补晶体振荡器。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路，采用了直接数字式频率合成器产生SPWM电路中的正弦波信号，能够借助直接数字式频率合成器的特点使正弦波信号的波形失真度、频率精确度、频率稳定度、频率分辨率、频率范围等指标满足设计要求。

2、本发明基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路，由直接数字式频率合成器产生正弦波信号，结合分频器和积分电路产生的三角波信号使用自然采样获得的双极性SPWM信号，由于三角波载波频率的精确度和稳定度由晶体振荡器决定，能保证逆变还原的正弦波信号的失真最小。

3、在本发明的SPWM信号发生电路中，由于直接数字式频率合成器提供了方便的数字程控输出正弦波信号频率的方式，还提供了输出正弦波信号幅度的改变方式，因此配合整机电压闭环控制，可实现整机输出正弦波信号幅度的稳定和程序控制。

4、本发明基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路，一方面克服了现有技术中SPWM信号的生成采用纯模拟电路方案的不足和纯软件编程方案的缺点，另一方面还同时保留了现有技术中纯模拟电路方案和纯软件编程方案各自的优点，使得输出的SPWM信号能够满足波形失真度低，信号频率和幅度的精确度高，并且信号频率的可调范围大、稳定度好、频率分辨率小等技术要求，能够有效的帮助推动SPWM应用技术性能的发展。

附图说明

图1为本发明SPWM信号发生电路一种具体实施方式的构架示意图。

图2为本发明SPWM信号发生电路另一种具体实施方式的构架示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明提供一种基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路，如图1所示，包括晶体振荡器、直接数字式频率合成器、低通滤波器、分频器、积分电路、脉宽调制器、同相门电路、反相门电路、第一上升沿延时电路、第二上升沿延时电路以及四个与门电路。其中，晶体振荡器输出CMOS电平的时钟信号OSC至直接数字式频率合成器和分频器的时钟信号输入端。直接数字式频率合成器的频率设置输入端D_F连接至频率设置数字信号源，幅值设置输入端R_SET连接至幅值设置模拟信号源，直接数字式频率合成器的正弦信号输出端通过低通滤波器连接至脉宽调制器的调制信号输入端。分频器的分频信号输出端连接至积分电路的信号输入端，积分电路的三角波信号输出端连接至脉宽调制器的载波信号输入端。在脉宽调制器中，通过对低通滤波器输出的正弦波信号S₂与积分电路输出的三角波信号T的比较，得到自然采样的双极性SPWM信号SPWM₁。脉宽调制器的SPWM信号输出端分别连接至同相门电路和反相门电路的信号输入端，同相门电路的同相信号输出端通过第一上升沿延时电路分别连接至第一与门电路的一个信号输入端和第二与门电路的一个信号输入端；反向门电路的反相信号输出端通过第二上升沿延时电路分别连接至第三与门电路的一个信号输入端和第四与门电路的一个信号输入端；其中，第一上升沿延时电路和第二上升沿延时电路具有相同的传输延时，用以产生相同的死区时间。第一与门电路、第二与门电路、第三与门电路、第四与门电路的另一个信号输入端并联连接至控制信号电平E_N，用于在需要时（如整机输出短路时）使四个与门电路关闭（控制信号电平E_N为0时）而输出0电平，保护后端被激励的全桥变换电路。第一与门电路、第二与门电路、第三与门电路和第四与门电路的输出端输出的四路SPWM信号分别去激励全桥变换电路的左半桥上臂、右半桥下臂、左半桥下臂和右半桥上臂，这四个与门电路的输出端也即作为本发明SPWM信号发生电路的SPWM信号输出端。

在本发明基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路中，晶体振荡器输出的时钟信号OSC为CMOS电平。OSC的频率精确度和频率稳定度决定了整机输出信号的频率精确度和频率稳定度。在具体应用中，本发明的SPWM信号发生电路优选使用温补晶体振荡器，因为温补晶体振荡器其频率精确度和频率稳定度均能够达到10^-5的数量级，频率精确度和频率稳定度都非常高。

直接数字式频率合成器（DDS）的输出信号S₁是阶梯变化形状的正弦波信号，经低通滤波器滤波后可以得到纯净的正弦波信号S₂。直接数字式频率合成器的频率设置输入端D_F为数字信号输入端口，可直接由数字信号设置DDS输出正弦波信号的频率，从而设置由四个与门电路输出的SPWM信号所激励得到的整机输出的正弦波信号的频率，可非常方便地对整机输出的正弦波信号频率进行程控。直接数字式频率合成器的幅值设置输入端R_SET连接至幅值设置模拟信号源S_M，通过幅值设置模拟信号源S_M去控制直接数字式频率合成器中幅值设置输入端R_SET所连接的等效电阻；该等效电阻通常由N沟道的MOS场效应管组成，改变场效应管的栅极电压可改变场效应管漏源极间的等效电阻，栅极电压越高，漏源极间的等效电阻越小，DDS输出的正弦波幅度就越大，反之亦反，从而使得DDS输出的正弦波信号幅值可调。DDS输出正弦波信号的波形失真度、频率精确度、频率稳定度、频率分辨率、频率变化范围等决定了整机输出正弦波信号的波形失真度、频率精确度、频率稳定度、频率分辨率、频率变化范围。由此可见，DDS是满足设计要求的关键部件。在具体应用中，本发明的SPWM信号发生电路优选采用型号为AD9850的DDS芯片。因为AD9850型DDS芯片在窄带时的SFDR为80dBc，即输出基波信号是最大失真信号的10000（即10⁴）倍，因而AD9850型DDS芯片输出的正弦波具有非常低的失真度；同时，其输出正弦波信号的频率分辨率为时钟频率的4294967296（即2³²）分之一，例如，若时钟频率为6MHz，则其输出正弦波信号的频率分辨率为0.0014Hz，可见其输出正弦波信号的频率分辨率非常小；不仅如此，AD9850型DDS芯片输出正弦波信号的频率最小值可为0Hz，最高值理论上可为时钟频率的二分之一，在125MHz最高时钟下，理论上可输出62.5MHz正弦信号，其输出正弦波的频率范围非常宽；此外，通过改变AD9850型DDS芯片的幅值设置输入端R_SET连接的等效电阻可改变输出正弦波的幅度。因此，采用AD9850型DDS芯片作为本发明SPWM信号发生电路的直接数字式频率合成器，能够非常好的达到波形失真度、频率精确度、频率稳定度、频率分辨率、频率变化范围等多方面的参数要求。

分频器和积分电路用于产生三角波载波信号。为了稳定载波信号的频率，将晶体振荡器的信号频率分频后作为载波信号频率，分频器输出信号N为方波信号，经积分电路后得到三角波信号T。

在脉宽调制器中，通过比较正弦波信号S₂和三角波信号T得到自然采样的双极性SPWM信号SPWM₁。使用自然采样的双极性SPWM方式，可使还原的正弦波信号的失真最小。

为了得到所需的全桥激励信号，须对SPWM信号反相。SPWM₁经同相门电路后输出同相SPWM信号SPWM₂。SPWM₁经反相门电路后输出反相SPWM信号SPWM_2B。为了保证全桥激励信号具有设计所需的死区时间，同相SPWM信号SPWM₂和反相SPWM信号SPWM_2B分别经第一上升沿延时电路和第二上升沿延时电路对信号的上升沿延时，获得具有死区时间的同相SPWM信号SPWM₃和具有死区时间的反相SPWM信号SPWM_3B。由于第一上升沿延时电路和第二上升沿延时电路具有相同的传输延时，因此同相信号SPWM₃和反相信号SPWM_3B也具有相同的死区时间。

具有死区时间的同相SPWM信号SPWM₃经过第一与门电路和第二与门电路后分别输出全桥激励信号SPWM_LU和SPWM_RD，具有死区时间的反相SPWM信号SPWM_3B经过第三与门电路和第四与门电路后分别输出全桥激励信号SPWM_LD和SPWM_RU；其中，全桥激励信号SPWM_LU用于激励全桥变换电路的左半桥上臂，全桥激励信号SPWM_RD用于激励全桥变换电路的右半桥下臂，全桥激励信号SPWM_LD用于激励全桥变换电路的左半桥下臂，全桥激励信号SPWM_RU用于激励全桥变换电路的右半桥上臂；这四个全桥激励信号即作为SPWM信号发生电路的SPWM信号输出。此外，第一与门电路、第二与门电路、第三与门电路、第四与门电路的的另一个信号输入端并联连接至控制信号电平源E_N；当控制信号电平E_N为高电平时，四个与门电路正常输出全桥激励信号；当控制信号电平E_N为低电平时，四个与门电路则全部关闭而输出低电平，保护被激励的全桥变换电路。可见，控制信号电平E_N可作为全桥激励信号的开关信号或整机输出保护控制信号来使用。

通过上述对本发明基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路的工作原理介绍，可以看到，本发明SPWM信号发生电路中，采用DDS产生SPWM电路中的正弦波信号，使正弦波信号的波形失真度、频率精确度、频率稳定度、频率分辨率、频率范围等指标满足设计要求，DDS提供了方便的数字程控输出正弦波信号频率的方式，DDS还提供了输出正弦波信号幅度的改变方式，配合整机电压闭环控制，可实现整机输出信号幅度的稳定和程序控制。三角波载波频率的精确度和稳定度由晶体振荡器决定。使用自然采样获得的双极性SPWM信号，能保证还原的正弦波信号的失真最小。因此本发明基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路有效克服了现有技术中SPWM信号的生成采用纯模拟电路方案的不足和纯软件编程方案的缺点，能够满足波形失真度低，信号频率和幅度的精确度高，并且信号频率的可调范围大、稳定度好、频率分辨率小等技术要求。

此外，作为进一步的优化方案，在本发明的SPWM信号发生电路中，如图2所示，在上述电路结构的基础上，还可以增设如下结构的幅值设置模拟信号源电路，该幅值设置模拟信号源电路包括交流电压采样变换电路、数模转换器和误差放大器；交流电压采样变换电路的采样输入端并联至由SPWM信号所激励而输出正弦波信号的整机信号输出端，对整机输出正弦波信号进行交流电压采样，并变换为直流电压信号，该直流电压信号的大小与整机输出正弦波信号的大小成正比，交流电压采样变换电路的电压信号输出端连接至误差放大器的比较输入端（“-”端）；数模转换器的数字信号输入端作为幅值设置程控信号的输入端，该幅值设置程控信号用以控制DDS输出正弦波信号幅值（也相当于控制整机输出正弦波信号的幅值），数模转换器的模拟信号输出端连接至误差放大器的基准输入端（“+”端）；误差放大器的放大信号输出端与直接数字式频率合成器的幅值设置输入端R_SET相连接，由于误差放大器放大信号输出端输出的信号也是模拟信号，即作为幅值设置模拟信号源S_M去控制DDS的幅值设置输入端R_SET，从而调整DDS输出的正弦波信号幅度，进而也使得整机输出正弦波信号的幅值相应地得到调整。由交流电压采样变换电路对整机输出的正弦波信号进行交流电压采样并变换为直流电压信号，其电压信号输出端所输出的直流电压信号作为反馈信号B接入误差放大器A的比较输入端（“-”端），该反馈信号B与整机输出正弦波信号的幅度成正比例关系；而幅值设置程控信号可以输入至数模转换器的数字信号输入端，转换为参考信号R（为模拟直流信号）得以输出至误差放大器A的基准输入端（“+”端），电路闭环后，由于误差放大器A具有足够大的稳态增益，环路稳定后误差放大器比较输入端（“-”端）的反馈信号B和基准输入端（“+”端）的参考信号R相等。这样以来，如果因某种原因，整机输出正弦波信号幅度下降，则反馈信号B下降，误差放大器A输出信号S_M上升，连接的场效应管的栅极电压上升，场效应管的漏源极间的等效电阻下降，DDS的幅值设置输入端R_SET所接等效电阻减小，DDS输出正弦波信号S₁的幅度上升，整机输出正弦波信号的幅度也相应上升，结果整机输出的正弦波信号幅度基本不变（整机输出正弦波信号幅度的下降量在设计范围内），这就使得至由四个与门电路输出的SPWM信号所激励得到的整机输出的正弦波信号幅度具有很好的稳定性。此外，如果将参考信号R调大，则误差放大器A的输出信号S_M变大，DDS输出正弦波信号幅度变大，整机输出正弦波信号幅度也相应变大，使得反馈信号B变大；反馈信号B变大到与参考信号R相等时环路稳定；此时，反馈信号B的变化量与参考信号R的变化量相等，而反馈信号B的变化量与整机输出正弦波信号幅度的变化量成正比例关系，也就是说，可以通过改变参考信号R来调节整机输出正弦波信号的幅度；而同时，参考信号R由数模转换器DAC提供，数模转换器DAC的输入为数字的幅值设置程控信号D_V，输出为模拟信号R，因此可以通过改变幅值设置程控信号来调节参考信号R的大小，进而调节整机输出正弦波信号的幅度，使得整机输出正弦波信号的幅度也能够如同频率一样实现程控调节。

综上所述，本发明基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路，一方面克服了现有技术中SPWM信号的生成采用纯模拟电路方案的不足和纯软件编程方案的缺点，另一方面还同时保留了现有技术中纯模拟电路方案和纯软件编程方案各自的优点，使得输出的SPWM信号能够满足波形失真度低，信号频率和幅度的精确度高，并且信号频率的可调范围大、稳定度好、频率分辨率小等技术要求，能够有效的帮助推动SPWM应用技术性能的发展。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于直接数字式频率合成器的SPWM信号发生电路，其特征在于，包括晶体振荡器、直接数字式频率合成器、低通滤波器、分频器、积分电路、脉宽调制器、同相门电路、反相门电路、第一上升沿延时电路、第二上升沿延时电路及四个与门电路；其中：

晶体振荡器输出CMOS电平的时钟信号至直接数字式频率合成器和分频器的时钟信号输入端；

直接数字式频率合成器的频率设置输入端连接至频率设置数字信号源，幅值设置输入端连接至幅值设置模拟信号源，直接数字式频率合成器的正弦信号输出端通过低通滤波器连接至脉宽调制器的调制信号输入端；

分频器的分频信号输出端连接至积分电路的信号输入端，积分电路的三角波信号输出端连接至脉宽调制器的载波信号输入端；

脉宽调制器的SPWM信号输出端分别连接至同相门电路和反相门电路的信号输入端；

同相门电路的同相信号输出端通过第一上升沿延时电路分别连接至第一与门电路的一个信号输入端和第二与门电路的一个信号输入端；反向门电路的反相信号输出端通过第二上升沿延时电路分别连接至第三与门电路的一个信号输入端和第四与门电路的一个信号输入端；第一上升沿延时电路和第二上升沿延时电路具有相同的传输延时；

第一与门电路、第二与门电路、第三与门电路、第四与门电路的另一个信号输入端并联连接至控制信号电平，第一与门电路、第二与门电路、第三与门电路和第四与门电路的输出端输出的四路SPWM信号分别去激励全桥变换电路的左半桥上臂、右半桥下臂、左半桥下臂和右半桥上臂。

2.根据权利要求1所述的SPWM信号发生电路，其特征在于，还包括幅值设置模拟信号源电路；幅值设置模拟信号源电路包括交流电压采样变换电路、数模转换器和误差放大器；

SPWM信号发生电路输出的SPWM信号去激励全桥变换电路，全桥变换电路输出的SPWM信号经低通滤波器滤波后得到正弦波信号并由整机的输出端输出；

交流电压采样变换电路的采样输入端并联至由四个与门电路输出的SPWM信号所激励而输出正弦波信号的整机信号输出端，交流电压采样变换电路的电压信号输出端连接至误差放大器的比较输入端；

数模转换器的数字信号输入端作为幅值设置程控信号的输入端，数模转换器的模拟信号输出端连接至误差放大器的基准输入端；

误差放大器的放大信号输出端与直接数字式频率合成器的幅值设置输入端相连接。

3.根据权利要求1所述的SPWM信号发生电路，其特征在于，所述直接数字式频率合成器采用型号为AD9850的DDS芯片。

4.根据权利要求1所述的SPWM信号发生电路，其特征在于，所述晶体振荡器采用温补晶体振荡器。