輸出波形可控的高精度數(shù)控電源設(shè)計(jì)

胡超+許宜申

摘 要： 針對(duì)精密儀器和精密機(jī)電系統(tǒng)中對(duì)任意波形電源的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)一種輸出波形可控的高精度數(shù)控電源。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括信號(hào)發(fā)生器、電壓幅值調(diào)節(jié)、功率放大器、A/D轉(zhuǎn)換和觸摸式液晶屏顯示等模塊。信號(hào)發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和積分電路，得到電壓幅值固定的正弦波、方波、三角波和鋸齒波等模擬信號(hào)，并通過(guò)電壓幅值調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)電壓幅值可調(diào)，最后經(jīng)功率放大器后輸出以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：該電源可以輸出頻率范圍為1～50 kHz， 最大峰值電壓為40 V的任意波形。

關(guān)鍵詞： 信號(hào)發(fā)生器； 直接數(shù)字頻率合成器； 任意波形電源； 調(diào)幅電路； 功率放大器

中圖分類號(hào)： TN710?34； TM919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）14?0145?04

0 引 言

目前，頻率、幅值和輸出波形可控的任意波形電源在交流儀器儀表校驗(yàn)中作為標(biāo)準(zhǔn)源而得到廣泛的應(yīng)用；在測(cè)量和控制設(shè)備的研制過(guò)程中也是重要的調(diào)試設(shè)備。近年來(lái)，壓電陶瓷器件作為新型位移器件，已成為微位移系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)元件，壓電陶瓷器件在電場(chǎng)作用下應(yīng)變產(chǎn)生位移輸出，驅(qū)動(dòng)相關(guān)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生微位移，而應(yīng)變是由電源的頻率、電壓和波形控制的。因此，頻率、幅值和輸出波形可控的高精度數(shù)控電源已成為精密儀器和精密機(jī)電系統(tǒng)中的重要組成部分，是決定其精度的重要因素之一。

針對(duì)電源輸出波形可控，且頻率、電壓幅值可調(diào)以及大功率的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種輸出波形可控的高精度數(shù)控電源。本設(shè)計(jì)中的信號(hào)發(fā)生器模塊采用直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesis，DDS），配合積分電路得到電壓幅值固定的正弦波、方波、三角波和鋸齒波4類模擬信號(hào)，并通過(guò)電壓幅值調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)電壓幅值的調(diào)節(jié)。功率放大器采用D類功率放大器，效率達(dá)到90%以上，采用觸摸液晶屏設(shè)置波形參數(shù)以及顯示當(dāng)前電源輸出狀態(tài)。

1 系統(tǒng)基本工作原理

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)工作前在觸摸液晶屏上設(shè)置電源輸出波形、頻率以及電壓幅值，確定后觸摸液晶屏將電源輸出參數(shù)通過(guò)串口通信傳遞到微處理器，微處理根據(jù)設(shè)置參數(shù)控制信號(hào)發(fā)生器并經(jīng)電壓幅值調(diào)節(jié)得到預(yù)設(shè)模擬信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)功率放大電路之后驅(qū)動(dòng)負(fù)載。同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換電路將負(fù)載兩端電壓以及流經(jīng)負(fù)載的電流進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，在觸摸液晶上顯示電源當(dāng)前輸出狀態(tài)。E2PROM存儲(chǔ)默認(rèn)輸出波形類型、幅值和頻率的參數(shù)值。

圖1 電源系統(tǒng)原理框圖

1.2 直接數(shù)字頻率合成原理

傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器采用分立元件以及模擬集成電路，以RC或LC自激振蕩為主振級(jí)的信號(hào)發(fā)生器，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率范圍寬，但是還是克服不了穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性差的問(wèn)題。石英晶體振蕩器雖然穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度高，但它的頻率不可調(diào)，工作場(chǎng)合比較單一。

針對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器的缺陷，本設(shè)計(jì)中采用DDS來(lái)產(chǎn)生正弦波。DDS基本結(jié)構(gòu)包括參考時(shí)鐘、相位累加器、正弦查詢表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器5個(gè)部分組成，它是采用高穩(wěn)定的參考時(shí)鐘量化抽樣時(shí)間間隔，利用信號(hào)相位與時(shí)間成線性關(guān)系的特性，直接對(duì)所需信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化和映射，輸出頻率可調(diào)的模擬信號(hào)。

2 主要硬件單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件部分主要由DDS信號(hào)發(fā)生器電路、電壓幅值調(diào)節(jié)電路和D類功率放大電路等組成。

2.1 DDS信號(hào)發(fā)生器電路

電源輸出波形是由信號(hào)發(fā)生器經(jīng)電壓幅值調(diào)節(jié)電路和功率放大電路之后得到，所以信號(hào)發(fā)生器的性能高低是決定其頻率精度以及穩(wěn)定性的重要因素之一。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高頻率精度、穩(wěn)定性強(qiáng)的信號(hào)發(fā)生器是保證本電源性能的關(guān)鍵。

本設(shè)計(jì)采用美國(guó)A/D公司的DDS芯片AD9850，通過(guò)微處理器程序控制和處理AD9850的32位頻率控制字，得到正弦波和方波，再配合積分電路得到三角波以及鋸齒波。AD9850可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成，通過(guò)內(nèi)部高速比較器可直接輸出方波。

AD9850的輸出頻率：

[fout=M·fclk232] （1）

式中：fclk為時(shí)鐘頻率；M為頻率控制字，頻率控制字M可表達(dá)為fout×[232fclk]，所以根據(jù)預(yù)設(shè)的輸出頻率可以計(jì)算出相應(yīng)的頻率控制字。

DDS信號(hào)發(fā)生器電路如圖2所示。

圖2 DDS信號(hào)發(fā)生器電路圖

微處理器與AD9850有并行和串行2種控制命令字寫入方式，并行方式與串行方式相比，雖然占用資源較多，但電路連接簡(jiǎn)單，且速度快，為了充分發(fā)揮AD9850芯片的高速性能，本設(shè)計(jì)采用并行方式。微處理器的P0口連接AD9850并行輸入端 （D0～D7），產(chǎn)生的正弦信號(hào)經(jīng)低通濾波器（LPF）之后，濾除高頻諧波得到穩(wěn)定的正弦波。正弦波經(jīng)電壓比較器后輸出占空比可調(diào)的方波，再將方波加至積分電路，改變方波占空比選擇輸出三角波或鋸齒波。

2.2 電壓幅值調(diào)節(jié)電路

由于AD9850輸出正弦波和方波的電壓幅值不可調(diào)，所以DDS信號(hào)發(fā)生器輸出模擬信號(hào)幅值固定，無(wú)法滿足幅值可調(diào)的要求。為實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出模擬信號(hào)幅值的數(shù)字控制，本設(shè)計(jì)采用微控制器控制D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出模擬電壓，與DDS信號(hào)發(fā)生器輸出模擬信號(hào)共同連接到模擬乘法器的輸入端，有如下表達(dá)式：

[Vout=Vdds·Vda] （2）

式中：Vout為電壓幅值調(diào)節(jié)電路輸出電壓；Vdds為DDS信號(hào)發(fā)生器輸出模擬信號(hào)電壓；Vd/a為D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出模擬電壓。由于DDS信號(hào)發(fā)生器輸出模擬信號(hào)電壓Vdds為固定值，因此輸出電壓Vout是由D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出模擬電壓Vd/a決定，從而實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)。本次設(shè)計(jì)采用D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5615和模擬乘法器AD633。圖3為電壓幅值調(diào)節(jié)電路。

TLC5615是10位串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，轉(zhuǎn)換速度快，只需要3根串行總線就可以完成10位數(shù)據(jù)的串行輸入，大大簡(jiǎn)化了電路。

TLC5615輸出函數(shù)為：

[Vda=Vref·N210] （3）

式中：Vref是參考電壓；N是輸入的二進(jìn)制數(shù)。本設(shè)計(jì)中采用高精度低壓基準(zhǔn)芯片MC1403提供2.5 V參考電壓，N用軟件編程設(shè)置。

圖3 電壓幅值調(diào)節(jié)電路

AD633是一款功能完整的四象限模擬乘法器，具有±8 V～±18 V寬供電范圍、1 MHz工作帶寬，輸入方式為差分（雙端）輸入，AD633輸出函數(shù)為：

[Vout=X1-X2Y1-Y210] （4）

本設(shè)計(jì)中X2、Y2、Z全接地，變?yōu)閱味藢?duì)地輸入線性控制輸出電壓值。那么其輸出電壓值為：

[Vout=Vdds·Vda=Vdds·Vref·N210] （5）

因此通過(guò)TLC5615和AD633可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出模擬信號(hào)電壓幅值0～1 V的數(shù)字控制。

2.3 功率放大電路

電壓幅值調(diào)節(jié)電路輸出的模擬信號(hào)電壓和電流都比較低，不足以驅(qū)動(dòng)大負(fù)載，功率放大器就是對(duì)電壓幅值調(diào)節(jié)電路輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行電壓和電流的放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)負(fù)載的要求。本設(shè)計(jì)采用D類功放芯片IRS2092來(lái)實(shí)現(xiàn)功率放大。IRS2092是集成PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)制器和保護(hù)的高壓高性能D類功放專用芯片，工作頻率高達(dá)800 kHz，最大電壓為200 V，可提供500 W輸出功率，完全符合大功率輸出的要求。它的基本原理是：模擬信號(hào)輸入到IRS2092芯片中進(jìn)行調(diào)制，得到兩路相位互補(bǔ)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。兩個(gè)MOS管組成半橋輸出電路，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管輪流導(dǎo)通，得到高電壓、大電流的PWM信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器將PWM信號(hào)還原成與輸入信號(hào)幅度變化一致的波形。如圖4所示為功率放大電路圖。電路采用閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，將輸出電壓通過(guò)反饋電阻R7反饋回IRS2092的輸入端，根據(jù)IRS2092技術(shù)手冊(cè)可知電阻[R7R1]的比值決定了功率放大電路的電壓增益，本設(shè)計(jì)選取R7為120 kΩ，R1為3 kΩ，所以該功率放大電路的電壓增益Av為：

[Av=R7R1=1203=40] （6）

3 軟件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和編程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)高效正常運(yùn)行起著極其重要的作用，直接影響系統(tǒng)性能的高低。系統(tǒng)軟件以Keil 4為開發(fā)編譯環(huán)境，使用C語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)程序的編寫。圖5為系統(tǒng)軟件流程圖。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

初始化包括微處理器初始化、串口初始化、觸摸液晶屏初始化等。在初始化完成后，觸摸液晶屏將顯示“參數(shù)設(shè)置”頁(yè)面，表示系統(tǒng)工作正常，等待用戶命令。此時(shí)觸摸液晶屏等待用戶輸入頻率、電壓幅值，選擇輸出波形，如不設(shè)置則為默認(rèn)值，待參數(shù)設(shè)置完畢，點(diǎn)擊“確認(rèn)”則輸出所需波形。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在室溫條件下，使用數(shù)字示波器UT2025C測(cè)量電源輸出波形實(shí)際頻率值，將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比。設(shè)定輸出波形空載電壓有效值12.000 V，頻率為1 kHz，利用6位半安捷倫數(shù)字萬(wàn)用表Agilent34401A測(cè)量不同負(fù)載下輸出電壓值和電流值。測(cè)量結(jié)果見表1、表2。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種輸出波形可控的高精度數(shù)控電源的設(shè)計(jì)方法及其實(shí)現(xiàn)原理。信號(hào)發(fā)生器電路采用DDS芯片AD9850以及積分電路實(shí)現(xiàn)，提高了電路的可靠性，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，使得輸出信號(hào)具有頻帶寬、穩(wěn)定度高、頻率步進(jìn)值小等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用D類功率放大器進(jìn)行功率放大，輸出波形功率大且效率高。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，精度高，操作簡(jiǎn)單，具有廣泛的應(yīng)用前景。

表1 頻率測(cè)量結(jié)果

表2 電壓電流測(cè)量數(shù)據(jù)

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