基於單晶片數字波形發生器的頻率調節

2020-11-28 電子發燒友

基於單晶片數字波形發生器的頻率調節

微波射頻網 發表於 2020-03-29 11:15:00

引言

當今許多工業和儀器儀表應用都涉及到傳感器測量技術。傳感器的功能是監測系統的變化，然後將數據反饋給主控制單元。對於簡單的電壓或電流測量，傳感器可以呈阻性。但在某些傳感器系統中它卻呈感性或容性，這意味著傳感器在其工作範圍內的阻抗變化呈非線性。

這種複數傳感器的典型例子是接近傳感器——用來確定相對移動物體的距離；以及容性傳感器或感性傳感器——在醫學行業中用來測量血液流速以及分析血壓或血質。

測量這些「複數傳感器」的阻抗需要一個在傳感器頻率範圍內掃描的激勵源。本設計思想表明如何能夠方便地使用單晶片數字波形發生器提供這種大於10 MHz的頻率掃描。本文也將介紹一種集成激勵源、模數轉換器（ADC）和信號處理的完整單晶片阻抗轉換器（IDC），從而使它適合需要高達約達50 kHz激勵頻率的應用。

傳感器：工作原理

圖1示出一種具有感性阻抗或容性阻抗特性的傳感器模型。

通過傳感器的激勵頻率根據其電感（L）或電容（C）的瞬態值變化將表現出一種幅度、頻率或相移變化。例如，超聲波液體流量計通常表現為相移變化，而接近傳感器則是幅度變化。

跟蹤這種阻抗變化的最常用的方法就是監測電路的共振頻率。共振頻率是指電容值等於電感值時對應的頻點，這也是頻率曲線上的最大阻抗處對應的頻點。例如，考慮圖2所示的接近傳感器的情況。在正常工作模式下，即靜態條件下，傳感器的L、R和C具有唯一的值，這種情況在共振頻點將具有最大阻抗。當移動物體接近傳感器時，傳感器的L和C值會發生變化，從而產生了新的共振頻率。如果監測共振頻率的變化（從而監測阻抗）可以預測移動物體相對傳感器的距離。

計算共振頻率

計算電路的共振頻率需要一個交流（AC）激勵信號源，它在一段頻率範圍內掃描以繪出如圖2所示的頻率與阻抗關係曲線。AD9833單晶片數字波形發生器可提供一種產生這種掃描輸出的簡單、低成本方法。我們通過寫入代表所需頻率的數字碼字來改變輸出頻率。AD9833具有兩個頻率寄存器，從而允許用戶在對一個頻率寄存器編程的同時輸出第二個頻率寄存器。

AD9833具有許多優點：輸出頻率的解析度是28 bit，所以用戶能夠以小於0.1 Hz的步幅增加輸出頻率。其輸出頻率範圍是0～12.5 MHz，從而提供很寬的傳感器選擇靈活性。例如，有些傳感器具有很低的頻率範圍，但在該頻率範圍內需要很高的解析度；而另外一些傳感器則需要以較低的解析度調節很寬的頻率範圍。

使用頻率掃描方法，可以很容易地計算出傳感器的共振頻率，並且可以利用該數據提供許多應用的傳感器檢測信息。

系統框圖

圖3示出實現這種測量的系統框圖。AD9833數字波形發生器可通過ADSP-218x數位訊號處理器（DSP）對其設置。首先必須對AD9833的正弦輸出電壓波形進行低通濾波以去除來自主時鐘（MCLK）、鏡像頻率和高階頻率的饋通。然後將經過濾波的信號用作傳感器的激勵信號。根據傳感器的阻抗變化，將響應信號放大以使其適合ADC的動態範圍。傳感器的輸出和激勵頻率都饋送到AD7866 12 bit 1 Msps同步採樣雙ADC。在將ADC的輸出數據饋送到DSP，以便通過計算傳感器的幅度和相位變化做進一步的分析。

完整的集成傳感器解決方案

圖3所示的分立解決方案雖然有助於各種通用傳感器的阻抗測量，但使用的寬帶元件使該其成本昂貴。單個分立元件會增加其自身的誤差源，並且有源元件會增加相位誤差，所以必須經過校正將這些誤差消除掉。一定需要DSP處理複雜的數學運算，並且還可能需要外部存儲器來存儲ADC的原始數據，這樣會進一步增加成本。

如果僅需低頻傳感器分析，我們可提供一種低成本的解決方案。AD5933/34 12 bit IDC和網絡分析器將上述主要處理框圖集成到一顆單晶片集成電路（IC）。圖4示出其功能框圖。

頻率發生器允許使用高達50 kHz的已知頻率激勵100 Ω～20 MΩ範圍的複數阻抗。響應信號由內置ADC採樣。內置DSP引擎完成ADC輸出的離散傅立葉變換（DFT）。然後DFT算法返回實部（R）和虛部（I）數據字，從而允許方便地計算其阻抗。使用以下公式可以方便地計算阻抗的幅度和相位。

我們使用頻率掃描來確定實際的實部阻抗值Z（ω）。我們可以在每一個頻點計算阻抗，並且可以建立頻率與幅度的關係曲線。

用戶可以設置2 V、1 V、500 mV或200 mV的峰峰值正弦信號作為外部負載的激勵源，並且可達到27 bit（小於0.1 Hz）的頻率解析度。

為了完成頻率掃描，用戶首先必須設置掃描所需的工作條件：起始頻率、頻率步幅以及步數，然後需要一個啟動命令開始掃描。在每一點掃描頻率處ADC都完成1024點採樣並且計算DFT以為波形提供實部和虛部數據。將該實部和虛部數據通過I2C接口以兩個16 bit字的形式提供給用戶。如果其內置DSP有處理引擎，則意味著用戶不必處理複雜的數學計算。它也無需存儲ADC原始數據，僅需返回兩個16 bit的字。還可以採用降低功能和降低成本的DSP解決方案，因為已經顯著地降低了對處理能力的要求。階躍響應的增益可設置為1或5倍。其ADC是一款3 V電源供電的低噪聲、250 ksps或1 Msps採樣率的高速ADC。系統時鐘通過MCLK端的參考時鐘從外部提供，MCLK可從外部晶體振蕩器或通過內部PLL單元提供。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 零基礎學FPGA (二十六)頻、相可調,任意波形信號發生器系統設計
    ，關於基於DDS信號發生器的技術文檔網上也多的是，但是我還是想寫一下這部分的教學，因為從我自身的學習來看，這部分內容並不是很難，也很容易實現，代碼也就那幾行。但是，我發現我當時學這部分的時候，從網上找資料，大部分都是基於原理的講解，或者說只是做到仿真這一步，而且原理的講解太過書面化，初學者不怎麼好理解。我做了這麼一個教程，全方面的做一個這樣一個系統。其中包括信號發生器的原理部分，代碼實現，仿真，按鍵控制頻率、相位變換，包括正弦波、方波、鋸齒波、三角波的產生，以及D/A轉換晶片的操作，直到能夠在示波器上觀察到我們產生的波形，並通過按鍵控制為止。
  • 直接數字合成技術實現函數信號發生器
    摘要：本文利用直接數字合成技術通過一款FPGA可編程邏輯晶片實現函數信號發生器的研製，該信號發生器是以Altera公司生產的EP4CE6F17C8晶片為設計載體，通過DDS技術實現兩路同步信號輸出。通過軟體Quartus-II12.0和Nios-II 12.0開發環境編程，實現多種波形信號輸出，信號具有高精度的頻率解析度能力，最高可達36位。
  • 德國Spectrum公司發布兩款新型任意波形發生器
    ——電子信號頻率高達1.25GS/s,垂直解析度可達16位2016年1月13日，德國漢斯多爾夫訊——德國Spectrum公司今日發布了兩款新型任意波形發生器(AWG's)。新產品從速度、精度以及體積上，樹立了新的行業標杆。
  • 自動測試系統中的波形數字示波化器
    模擬電子示波器從信號輸入前端至波形顯示後端都需要具有寬帶響應，然而數字電子示波器只需要前端模擬/數字轉換器具有與輸入信號相同的寬帶響應，隨後各種電路的頻率響應均相應降低。根據取樣原理可知，在最佳條件下取樣頻率等於2倍輸入模擬信號最高頻率，ADC輸出數字信息經過濾波和DAC處理後，即可復現輸入信號的波形。顯然，DAC的時鐘頻率可以甚低於ADC的取樣頻率。
  • 基於單片機的正弦信號發生器的設計
    基於單片機的正弦信號發生器的設計 秩名 發表於 2012-07-31 11:42:14 　　摘 要：本系統採用AT89S51單片機為核心，輔以必要的模擬，數字電路，構成了一個基於
  • 頻率可調的移相式正弦波發生器電路
    打開APP 頻率可調的移相式正弦波發生器電路 佚名 發表於 2010-12-29 11:46:31 本電路（見下圖）是一種頻率可調的移相式正弦波發生器電路
  • 基於DDS構建可調頻穩幅信號發生器
    摘要 系統採用基於DDS工作原理的AD9851，以單片機為控制核心，設計了可產生頻率可調的穩幅高精度正弦波、方波信號發生器。輸出級通過橢A濾波器去除高頻噪聲以穩定信號，並採用乙類推免功率放大器電路以提高系統的負載能力。闡述了晶片與外部電路接口的硬體結構並作出詳細的系統測試。
  • 正弦波信號發生器基本原理與設計
    正弦信號發生器主要由兩部分組成：正弦波信號發生器和產生調幅、調頻、鍵控信號。正弦波信號發生器採用直接數字頻率合成DDS技術，在CPLD上實現正弦信號查找表和地址掃描，經D/A輸出可得到正弦信號。具有頻率穩定度高，頻率範圍寬，容易實現頻率步進100Hz。
  • 一種基於FPGA的帶死區的SPWM波形產生的設計與實現詳解
    常見的SPWM波形產生方法主要有兩種：一種是利用專門的SPWM產生晶片如TMS320 F2812來產生，這種方法的特點是一次可以產生6路或12路SPWM信號；另一種方法利用自然採樣法的原理，採用數字或模擬方法產生三角波和正弦波，再使用比較器對產生的三角波和正弦波進行比較而得到SPWM波，這種方法產生SPWM波的路數比較靈活，電路原理簡單，但具體實現比較複雜。
  • 基於DDS技術的波形設計
    採用了ADI公司的AD9958晶片為核心設計實現了全數字頻率合成器，構建了具備FSK調製，PSK調製及線性掃描功能的全數字通信系統。詳細介紹了該通信系統的主要構成和實現全數字波形設計的軟體控制方式，使其具備多種信號形式，較寬的工作頻帶、根據工作需要隨時變換波形的功能。
  • 全球速度最快DAC的高性能任意波形發生器介紹
    通過提供業內最佳的高採樣率、長波形內存和深動態範圍組合，新AWG70000系列任意波形發生器可滿足寬帶電子、高速串行通信、光網絡及高級研究應用領域的廣泛和高標準的信號發生需要。在基於射頻的應用中，該器件支持直接生成寬頻帶信號，從而通過消除數/模轉換器陣列和頻率轉換模塊幫助降低複雜性。
  • 單晶片編碼器實現精確運動控制
    一個替代和面向應用的方法是利用更高集成度和智能化的傳感器技術基於一個單晶片的編碼器設計。採用單晶片編碼器設計有可能提供增量輸出，正弦/餘弦模擬輸出，以及為配置和絕對位置數據讀出的數字符串行接口。　　單晶片編碼器的類型和選項　　圖3所示為磁編碼器和光學編碼器。正確選擇會對系統的性能產生重大影響。
  • 三相SPWM波形發生器的設計與仿真
    編者按：本文提出了一種採用VHDL硬體描述語言設計新型三相正弦脈寬調製（SPWM）波形發生器的方法。該方法以直接數字頻率合成技術(DDS)為核心產生三相SPWM信號。
  • 基於NE5534運算放大器的頻率補償電路設計
    本次設計是在詳細分析所給模擬模塊與設計任務的基礎上，採用NE5534運算放大器作為核心晶片來構造頻率補償電路從而達到頻率補償的作用的。 　　3、系統調試及數據分析 　　（1） 測試條件 　　環境溫度25℃ 　　（2）測試儀器 1） 直流穩壓電源 　　2） DDS函數信號發生器 3） 數字萬用表 4）
  • ad9850信號發生器
    信號發生器是一種能提供各種頻率、波形和輸出電平電信號的設備。在測量各種電信系統或電信設備的振幅特性、頻率特性、傳輸特性及其它電參數時，以及測量元器件的特性與參數時，用作測試的信號源或激勵源。 　　信號發生器又稱信號源或振蕩器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。各種波形曲線均可以用三角函數方程式來表示。
  • 新型電晶體特性圖示儀掃描信號發生器電路設計
    本文介紹一種基於555定時器的電晶體特性圖示儀掃描信號發生器設計方法。通過555定時器產生同步的X軸掃描鋸齒波和Y軸掃描階梯波，其掃描頻率不受工頻市電限制，掃描信號同步性能好，顯示波形穩定。該鋸齒波通過電壓跟隨器U1輸入到同相比例運算放大器U2進行電壓放大，調節Rp3可以改變鋸齒波幅度，通過後置功率放大後輸入到待測電晶體集電極。同時，該信號作為X軸掃描信號輸入到示波管的X軸偏轉系統。
  • 任意波形發生器工作原理
    任意波形發生器的用途越來越廣泛，因為它具備比較靈活的信號產生能力。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201807/383881.htm圖1 N6030A任意波形發生器
  • 中科院物理所多通道任意波形發生器集採:美國泰克(Tektronix)11.7萬美元入選
    下圖為針對項目需求，對三家代表性供應商的相應產品對比：以上3款任意波形發生器都基本滿足高採樣率和高解析度的需求，其中美國泰克公司的AWG5204的通道數目能夠滿足多量子比特控制需求，且價格較低，擁有較好的後續拓展性。
  • 在可再生能源應用的逆變器設計中使用SPWM發生器
    為了獲得自動控制和調節，PWM技術用於將逆變器的AC電壓輸出及其頻率保持在標稱值，不受輸出負載影響。為了從變頻器控制系統獲得更好的響應，已經開展了許多研究和開發了諸多技術。常規的逆變器根據負載的變化來改變輸出電壓。為了降低輸出電壓對負載變化的敏感度，基於PWM的逆變器通過改變以較高頻率產生的脈衝的寬度來調節輸出電壓。
  • 脈衝信號發生器的使用方法
    脈衝信號發生器可以產生重複頻率、脈衝寬度及幅度均為可調的脈衝信號，廣泛應用於脈衝電路、數字電路的動態特性測試。隔離級由電流開關組成，它把主振級與下一級隔開，避免下一級對主振級的影響，提高頻率的穩定度。脈寬形成級一般由單穩態觸發器和相減電路組成，形成脈衝寬度可調的脈衝信號。放大整形級是利用幾級電流開關電路對脈衝信號進行限幅放大，以改善波形和滿足輸出級的激勵需要。輸出級滿足脈衝信號輸出幅度的要求，使脈衝信號發生器具有一定帶負載能力。通過衰減器使輸出的脈衝信號幅度可調。