DSP 在电源设计中的应用.docx

摘要：采用分立元件或CPLD、FPGA进行电源的信号发生和测量的设计，会增加硬件设 计复杂程度，延长开发周期为了简化电源信号发生及测量的硬件设计，缩短开发周期，本 文提出一种基于DSP的嵌入式操作平台，采用DDS（直接数字式频率合成器）及乘法 器矢量测量技术的设计方案该方案利用DSP的高速运算能力，通过实时计算来实现分立 元件或CPLD、FPGA的硬件逻辑功能实验结果表明该方案切实可行0引言电源的信号测控部分由DDS信号发生和信号测量组成DDS在电源设计中的应用早 已存在在早期的DDS设计中，硬件组成由计数器、触发器等多种多个分立逻辑元件组成； 而在出现可编程逻辑器件CPLD、FPGA后，DDS的硬件构成简化了许多电源的信号测 量，分为频率、幅值及相位的测量频率的测量采用脉冲填充法；幅值测量则随着A/D转 换器的采样速度及处理器速度的提高，由原来的有较大延迟的真有效值转换发展为周期实时 采样计算；相位测量则在幅值测量的基础上，由原来的间相脉冲填充法发展为乘法器矢量测 量DSP的高速处理能力，使其可以实现DDS中的CPLD或FPGA及测量电路中的模 拟数字混合乘法器的功能，从而使电源的信号发生及测量的硬件设计更简单。

1设计方案方案设计如图1所示DSP以等时间间隔快速、连续读取扩展程序存储器中的波形数 据，送入并行高速D/A,并行高速D/A即可输出预设信号波形DSP处理-M* ■ 1 ■樓序縫扩程存信号测昴输出信号幅值的调整不如波形数据读取操作那么频繁，且对操作完成时间的长短、精度 要求也不如波形数据读取高，所以选择串行多通道D/A.这样既可以降低成本，又可以简化 部分硬件设计以N个波形读取时间间隔为计时基础，DSP通过并行高速A/D对经信号 处理后的被测信号进行连续采样，通过计算，可得出被测信号有效值及相位2 DDS的DSP实现2.1 DDS原理DDS是利用相位累加原理直接合成所需波形的一种频率合成技术，典型的DDS模型 由W位相位累加器、移相加法器、波形存储器ROM查找表（LUT）、D/A转换器（DAC） 以及低通滤波器（LPF）构成其中相位累加器由W位加法器与W位累加寄存器级联 构成DDS工作时，每来一个时钟脉冲p,加法器将相位步进值与累加寄存器输出的累 加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输 入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。

相位累加器输出的数 据作为查表地址，从波形存储器（ROM）中提取对应的波形抽样值（二进制编码），送 入D/A转换器C中在相位累加器的数据输出范围0 ~ 2W - 1,与波形存储器中一个 完整周期波形的地址，按照特定的函数关系对应起来的前提下，相位累加器的每次溢出，DDS就相应的输出了一个周期的波形因此，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率由此可推导出DDS输出的信号频率公式：fout = fclk X A 0 /2W式中fout为DDS输出频率；fclk为标准时钟脉冲，固定值；A0为相位步进值， 无符号整数，无单位；W为相位累加器宽度从公式（1）可以看出，在相位累加器宽度W为定值、相位步进值A0为1时， 可得出DDS的最小输出频率，即DDS的频率分辨率fr■因此，只需要调整相位步进值△ 0，就可以使DDS的频率以fr的整数倍输出2. 2 DDS工作模式选择根据公式（1）可以看出，在相位累加器宽度W为定值的前提下，DDS的输出频 率，取决于A0和fclk.A0取值为DDS的相位分辨率时，DDS输出信号的每个周期由固定点数组成，此 时fout与fclk成比例关系，DDS为调频模式；fclk为定值时，DDS输出信号在单位时 间内由固定点数组成，此时fout与A0成比例关系，DDS为调相模式。

调频模式，其关键点为采用锁相环技术对预置输出频率进行倍频[3 - 4].与调相模式相 比，调频模式不仅要多出锁相环及相应倍频逻辑电路的设计，且在进行频率调整时，信号会 有短时间的失锁，造成输出信号的振荡因此，调相模式是本设计中DDS的最佳选择2. 3 DSP实现DDS的优势无论是用分立逻辑器件还是CPLD或FPGA设计DDS,其目的都是为了将相位累加器 的累加、输出、波形数据查表等这些运算处理通过硬件电路高速实现唯一的区别就是应用 CPLD或FPGA设计DDS,可以将诸多分立器件实现的逻辑电路，通过VHDL等编程语言 编程固化在单一芯片上，从而达到简化硬件电路设计目的而采用DSP设计DDS,则完全 可以利用其高速运算能力，通过软件编程来完成相位累加器的累加、输出、波形数据查表等 运算因此，相比于采用CPLD或FPGA，采用DSP设计DDS更灵活高效2. 4基于DSP的DDS的参数设计2. 4. 1标准时钟脉冲fclk的设计从公式（1）可以看出，在相位累加器宽度W为定值、相位步进值A0为1 时，可得出DDS的最小输出频率，即DDS的频率分辨率fr■因此，只需要调整相位步进 值A0，就可以使DDS的频率以fr的整数倍输出。

P = 2W 宁 A 0式中P为DDS输出信号的每个周期的组成点数将式（2）代入式（1），可得：fclk = fout x P在P足够多且每点波形数据分辨率与P匹配的前提下，即可忽略DDS信号输出的高 频谐波含量，从而省略硬件设计中的滤波器环节，避免了由滤波器产生的相位偏移当P = 10000时，完全可以满足要求如设计最大输出频率65Hz,可得fclk = 0. 65MHz.fclk可利用DSP计数器的中断产生考虑到DSP的工作频率均为MHz的整数倍， 所以fclk取值1MHz,更加便于中断的准确产生2. 4. 2相位累加器宽度W的选取P = 10000时，W取值27即可满足设计频率调节细度WO. 01Hz的要求但相位 累加值8在DSP中定义为4字节的操作数，W取值27时，DSP需对相位累加值进行 上限判断处理后再提取波形数据，从而产生细小的波形畸变并增加一定的运算量考虑到可 利用操作数的自然溢出来减少DSP的判断及运算操作，所以W取值32.2. 4. 3周期波形点数P的选取在不考虑四舍五入取值的前提下，相位累加器的输出值与波形数据表数组下标的函数关 系如下：A = P X 8 宁 2W式中A为波形数据数组下标；P为波形数据点数；8为相位累加器输出值。

由于DSP中没有现成的除法指令，除法是靠被除数与除数之间的移位相减来实现的， 采用该函数的算法将增加DSP的运算量因此，可以通过事先将P宁2W作为系数，减 少求数组下标运算步骤但P宁2W可能为小数，如果取整计算，将使下标出现跳跃性变 化，导致输出波形畸变增大不取整计算时，如使用定点DSP，虽然价格便宜且运算速度较 快，但会增加系统运算量而使用浮点DSP,运算速度较慢且硬件费用会有相对提高考虑 到DSP要进行多线程的任务工作，需要较快的运算速度，因此选用定点DSP,并对波形数 据数组下标的算法进行进一步的改进将公式（4）中P的点数由相位调节细度要求的最低点数Pmin调整至大于Pmin的 最小的2的X次幕将P代入公式（4），简化得：A = 8 /2W-X在DSP中，所有的值都用二进制来表示所以，在公式（5）里所有变量的取值均 为无符号整数的前提下，A的获得就简化成了对8进行（W - X）次的右移从而大大降低DSP的运算量以相位分辨率W0. 03°为例，P取值16384 =214,A的表达式即简化为8 /218.3信号测量信号需要测量频率、有效值、相位三个参量信号处理电路采用传统的互感器采样加低 通滤波。

电压信号处理电路比电流信号处理电路，多设置一过零比较的波形变换功能单元, 其作用是将电压被测信号由正弦波变换为方波，为信号测量提供周期信号3. 1频率测量频率测量相对简单，采用传统的脉冲填充法，即DSP利用周期方波作为中断信号，用 DSP的计数脉冲的频率除以中断间隔内计数器的计数脉冲数，就可获得输出信号的频率3. 2有效值测量有效值测量即对被测信号进行区域内积分后取平均值通过RC电路实现硬件积分， 响应速度慢，且增加相应的硬件开销而利用DSP的高速计算能力，通过相应计算即可得 出有效值，可提高相应速度，节省硬件开销正弦波有效值的计算公式：式中Vm为有效值；T为采样周期；Um为被测正弦波峰值；w为被测正弦波角频 率；Q为被测正弦波初始相位积分的计算过程，等价于在积分区间内对被测信号进行足够多的、等间隔采样，并进行 累加求和计算因此，公式(6)可变换为:.V式中N为测量周期内的采样次数；Un为采样值为保证测量值的准确，被测信号每个周期内的采样次数应三100.因此，在以标准时钟 脉冲fclk( 1MHz)为计时基准、被测信号最高频率65Hz时，每次采样间隔应＜153个 标准时钟脉冲3. 3相位测量相位的测量，借鉴了模拟数字混合乘法器进行矢量测量的原理。

模拟数字混合乘法器进 行矢量测量的原理如下：对于正弦信号，矢量测量就是测量相对于标准正弦信号的相位和幅值如图2所示， 设被测信号V ( t) = U ( t) sin ( w t + © )，两片Rom中分别存有正弦和余弦函数表，锁相环实现数字sin^ ( w t) ,cos^ ( w t)与V ( t)同频同步模拟信号V(t)输入到乘法型D/A的参考电压端，与数字量sin^ ( w t) ,cos^ ( w t)在D/A 转换器实现模拟数字混合乘法运算，低通滤波器完成积分求平均值运算，低通滤波输出的是直流信号cos" J" dr =卩"丿 siiT '(lt — HoiSpj被测信号的幅值和相角分别为:.=4 ◎综上所述，模拟数字混合乘法器矢量测量的原理可简述为，将被测信号幅值与标准正弦、 余弦分别相乘并计算其有效值，然后通过对两有效值进行反正切运算即可获得被测信号与标 准信号的相位差从公式（8） 、（ 9）可以看出，被测信号的采样值，在相位测量中可被重复利用 因此相位测量也可以采用与有效值测量相同的时钟脉冲及采样间隔从图2中可以看出， 被测信号与标准正弦D/A、余弦D/A的相乘，其实质是被测信号采样值与标准正弦、余弦 查表值相乘。

由于相位测量的采样以标准时钟脉冲fclk为计时基准，每次采样前必有一个 刚被查表取出的电压正弦波数据值被送至D/A输出，该数据值对应相位累加器输出值8 . 根据正弦与余弦的函数关系式cosa =sin （ a + 90°），将8偏移2W-2 （此操作等 价于移相90°后查表获得余弦数据值因此，模拟数字混合乘法器矢量测量相位，完全可 以通过DDS的查表功能与有效值测量功能相结合，利用软件来实现4结束语通过对DDS和模拟数字混合乘法器矢量测量原理的分析，提出了以DSP嵌入式系统 为硬件基础，利用软件编程实现DDS相位逻辑运算、积分运算、矢量的模拟数字混合乘法 的设计思路采用该设计思路进行电源，可大大简化硬件设计，节省硬件成本，缩短开发时 间。