一種數模結合三相正弦波發生器設計
2013-08-12
三相正弦波發生器是應用非常廣泛的信號源之一，通常可以由模擬以及數字模擬兩者相結合的方法產生。
本文設計的三相30階梯正弦波信號發生器采用數模結合的方法，彌補了純模擬方法在相位差精度、調頻方面的缺點，便于單片集成。
電路結構和工作原理
要保證三相相位差恒為120°，對N有兩點約束。一為對稱性約束，N為偶數；二為恒定相位差120°約束，即N／3為整數，這里N=6×5=30，即可得到的階梯正弦波階數為30。用1／30的周期為步長對正弦波進行量化，各采集點的數值等于該點的正弦函數值。在一個周期內，正弦波被分成30個寬度相等的小矩形波。
本電路設計使用如圖1中虛線框內的電流源序列I0～I29。電路工作時，通過數字譯碼電路輸出開關控制信號，同時開啟三相對應的電流源，并各自經過電壓／電流轉換得到OutA、OutB、OutC相位差恒為120°的零直流電平30階梯正弦波，階梯正弦波通過低通濾波即可得到三相正弦波SinA、SinB、SinC，其三相正弦波周期與階梯波周期完全相等，且周期T等于30個Clk時鐘周期，所以很方便對三相正弦波進行頻率控制，實現調頻控制。 實際工作中，根據開關信號K0、K1、K2、…K27、K28、K29得到SinA鏡像電流的開啟順序為：I0、I1、I2、…、I27、I28、I29。SinB應該滯后SinA相位120°，所以對應第一個開關信號K0的電流源是I10。同樣，SinC第一個開啟電流源為I20，依此類推。
該結構的新穎之處是通過三個開關控制單個電流源切換電流，分別流向三相正弦的I-V運算放大器，實現電流到電壓的轉換，實現精確相位差的三相正弦階梯波。在一個循環周期內，同一個電流源在該時刻的時鐘信號時間內有且僅有一組開關。另一個顯著特點是，僅僅多用2組開關就能實現三相正弦的轉換，使原本需要三組同樣的正弦鏡像電流序列，這里只需要一組就可以實現，不但節省了約2／3集成三組同樣電流源所需面積，更重要的是保證了三相正弦階梯波信號精確的相位差，各相正弦階梯波對應的信號完全相同，另外也避免了對每一組正弦鏡像電流序列加工時因工藝誤差而引入的額外失真，這樣就很大限度地確保了低失真的三相階梯正弦波產生。
高精度鏡像電流源和高增益運算放大器單元電路的設計
高精度鏡像電流源設計
本設計要求鏡像電流源對輸出電壓具有較好的抗干擾能力，同時盡量減少和抑制電流鏡像時存在的溝道調制效應以及襯偏效應對鏡像電流源精度的影響，從而提供按正弦規律變化的較高精度電流源序列。考慮到實際工作條件，在滿足設計輸出擺幅和電壓裕度的基礎上，可以利用高輸出阻抗、標準共源共柵結構鏡像電流源。該結構可以有效地抑制溝道調制效應，減小襯偏效應對鏡像電流的精度影響。本設計使用該結構產生30個正弦鏡像電流鏡系列。
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