0 引言
    脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)目前廣泛應(yīng)用在電力、電子、微型計(jì)算機(jī),、自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù),，通過D／A轉(zhuǎn)換進(jìn)行程控放大,，實(shí)現(xiàn)了三相功率可控的PWM信號(hào)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)過程
1．1 DDS的設(shè)計(jì)原理
    直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的組成見圖1,。fc為時(shí)鐘頻率,，K為頻率控制字，N為相位累加器的字長(zhǎng),，W波形存儲(chǔ)器地址線位數(shù),，L為ROM數(shù)據(jù)線寬度(一般也為D／A轉(zhuǎn)換器的位數(shù))，fo為輸出頻率,。相位累加器按照時(shí)鐘脈fc的時(shí)序,，對(duì)輸入頻率控制字K進(jìn)行累加,，相位累加器的輸出作為波形存儲(chǔ)器的地址輸入。相位累加器的輸出對(duì)應(yīng)于該時(shí)刻合成周期信號(hào)的相位,，由于N位累加產(chǎn)生溢出,，因而相位是周期性的，在0～2π范圍內(nèi)變化,。2π／2N rad是最小的相位增量,，完成一整周的正弦波輸出需要經(jīng)過2π／(K×2π／2N rad)個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。因此,，可以得到輸出波形的頻率fo為：

    
    而DDS的最小頻率分辨率(即最低的合成頻率)為
   
    最高的基波合成頻率受奈奎斯持抽樣定理的限制(至少每周兩次抽樣才能重構(gòu)波形),。

    由此可以看出，DDS具有高頻率分辨率的特點(diǎn),。在fc固定時(shí),，取決于相位累加器的位數(shù)N，只要N足夠大,，理論上就可以獲得相應(yīng)的分辨精度,，這是傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的。DDS中相位改變是線性過程,，其相位誤差主要依賴于時(shí)鐘的相位特性,，相位誤差小，形成的信號(hào)具有良好的頻譜特性,。
1．2 用FPGA和DDS技術(shù)產(chǎn)生三相PWM的原理
    本設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)能夠輸出三相的PWM信號(hào),。根據(jù)DDS的原理，相位累加器的輸出對(duì)應(yīng)于該時(shí)刻合成周期信號(hào)的相位,，并且相位具有周期性,，在0～2π范圍內(nèi)變化。因此設(shè)置相位累加器的初始值,，就可以使產(chǎn)生的信號(hào)具有不同的初相位,。
    本設(shè)計(jì)的單相PWM信號(hào)在FPGA上實(shí)現(xiàn)的原理和過程如圖2所示。相位控制字R設(shè)置相位累加器的初始值,，可決定PWM信號(hào)的初相,。圖2中，使用一個(gè)幅值比較器取代了圖1中的波形儲(chǔ)存器,，幅值比較器是一個(gè)0／1輸出的二值比較器,，它決定了輸出脈沖的波形。由前面分析可知,，累加器的輸出值是線性的,，它的值與相位一一對(duì)應(yīng)，因此累加器的輸出值與參數(shù)K進(jìn)行比較結(jié)果決定輸出信號(hào)fo的高低電平,。K作為一個(gè)門限值,，通過設(shè)置K便可設(shè)置輸出脈沖波形的占空比,，我們把K稱為占空比控制字,。多路單相PWM電路共用一個(gè)參考時(shí)鐘fc就可以構(gòu)成多相PWM信號(hào),，各相PWM均有獨(dú)立的R和K，通過設(shè)置便可獲得多路同頻異相,、占空比不同的PWM信號(hào),。

    由于使用了DDS原理方法，上述PWM脈沖信號(hào)具有高頻率和相位分辨率的特點(diǎn),。但圖2中的DDS方法是有區(qū)別于傳統(tǒng)DDS實(shí)現(xiàn)的,，它沒有使用波形存儲(chǔ)單元，節(jié)省了FPGA的存儲(chǔ)空間,，使設(shè)計(jì)全數(shù)字化,，便于在FPGA上實(shí)現(xiàn)，方法簡(jiǎn)單高效,。
1．3 功率可控的設(shè)計(jì)
    PWM信號(hào)的功率可控是為了滿足不同應(yīng)用的需求,。本設(shè)計(jì)通過程控放大(AGC)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的功率可控，圖3是功率可控的原理框圖,。

    AD603是美國(guó)AD公司繼AD600后推出的寬頻帶,、低噪聲、低畸變,、高增益精度的壓控VGA芯片,。由FPGA、D／A轉(zhuǎn)換器和可編程增益放大器AD603構(gòu)成程控放大的原理如圖3所示,。FPGA通過對(duì)控制D／A輸出直流電壓來控制AD603的內(nèi)部電阻衰減網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)。其外圍元件少,，電路簡(jiǎn)單,，由于AD603帶寬最大能達(dá)到90MHz，增益范圍有40dB,，增益精度在±0．5dB,，可精確實(shí)現(xiàn)電壓的控制，實(shí)現(xiàn)功率的精確步進(jìn)控制,。

2 設(shè)計(jì)的測(cè)試與結(jié)果分析
    系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果如圖4,、圖5及圖6所示。

    圖1中的信號(hào)為作為比較的基準(zhǔn)信號(hào),。信號(hào)的頻率為149．7kHz,，峰峰值2．32V，正頻寬3．344μs,，即占空比為50％,。信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅,、調(diào)頻及調(diào)相后如圖5所示，峰峰值為2．40V,，步進(jìn)增量為80mV,；頻率調(diào)為150．1 kHz，步進(jìn)增量為0．4kHz,；正頻寬3．40 μs,，占空比為51％；調(diào)相效果如圖6所示,，相位調(diào)節(jié)為2．16°,。
    測(cè)試設(shè)備為Tektronix TDS2024型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器。排除測(cè)試過程的誤差,，結(jié)果調(diào)制波形有較高的精度,，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論
    基于FPGA實(shí)現(xiàn)的DDS的方法結(jié)合了FPGA及DDS的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),，非常適用于產(chǎn)生頻率,、相位、占空比可調(diào)的信號(hào),，這恰好是PWM信號(hào)所需求的,。目標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度、高分辨率的任意頻率的三相PWM信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì),，在實(shí)測(cè)中取得了較好的效果,。