基于DDS技术三相功率可控PWM信号的FPGA实现

　　0 引言

　　脉宽调制技术(PWM)目前广泛应用在电力、电子、微型计算机、自动控制等多个学科领域。本设计采用基于FPGA的直接数字频率合成(DDS)技术，通过D/A转换进行程控放大，实现了三相功率可控的PWM信号。

　　1 系统的设计原理和实现过程

　　1.1 DDS的设计原理

　　直接数字频率合成器(DDS)的组成见图1。fc为时钟频率，K为频率控制字，N为相位累加器的字长，W波形存储器地址线位数，L为ROM数据线宽度(一般也为D/A转换器的位数)，fo为输出频率。相位累加器按照时钟脉fc的时序，对输入频率控制字K进行累加，相位累加器的输出作为波形存储器的地址输入。相位累加器的输出对应于该时刻合成周期信号的相位，由于N位累加产生溢出，因而相位是周期性的，在0～2π范围内变化。2π/2N rad是最小的相位增量，完成一整周的正弦波输出需要经过2π/(K×2π/2N rad)个系统时钟周期。因此，可以得到输出波形的频率fo为：

　　而DDS的最小频率分辨率(即最低的合成频率)为

　　最高的基波合成频率受奈奎斯持抽样定理的限制(至少每周两次抽样才能重构波形)。

　　由此可以看出，DDS具有高频率分辨率的特点。在fc固定时，取决于相位累加器的位数N，只要N足够大，理论上就可以获得相应的分辨精度，这是传统方法难以实现的。DDS中相位改变是线性过程，其相位误差主要依赖于时钟的相位特性，相位误差小，形成的信号具有良好的频谱特性。

　　1.2 用FPGA和DDS技术产生三相PWM的原理

　　本设计需要设计能够输出三相的PWM信号。根据DDS的原理，相位累加器的输出对应于该时刻合成周期信号的相位，并且相位具有周期性，在0～2π范围内变化。因此设置相位累加器的初始值，就可以使产生的信号具有不同的初相位。

　　本设计的单相PWM信号在FPGA上实现的原理和过程如图2所示。相位控制字R设置相位累加器的初始值，可决定PWM信号的初相。图2中，使用一个幅值比较器取代了图1中的波形储存器，幅值比较器是一个0/1输出的二值比较器，它决定了输出脉冲的波形。由前面分析可知，累加器的输出值是线性的，它的值与相位一一对应，因此累加器的输出值与参数K进行比较结果决定输出信号fo的高低电平。K作为一个门限值，通过设置K便可设置输出脉冲波形的占空比，我们把K称为占空比控制字。多路单相PWM电路共用一个参考时钟fc就可以构成多相PWM信号，各相PWM均有独立的R和K，通过设置便可获得多路同频异相、占空比不同的PWM信号。

　　由于使用了DDS原理方法，上述PWM脉冲信号具有高频率和相位分辨率的特点。但图2中的DDS方法是有区别于传统DDS实现的，它没有使用波形存储单元，节省了FPGA的存储空间，使设计全数字化，便于在FPGA上实现，方法简单高效。