輸出波形可控的高精度數(shù)控電源設(shè)計

輸出波形可控的高精度數(shù)控電源設(shè)計摘要：針對精密儀器和精密機電系統(tǒng)中對任意波形電源的應(yīng)用需求，設(shè)計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，主要包括信號發(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，并通過電壓幅值調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)模擬信號電壓幅值可調(diào)，最后經(jīng)功率放大器后輸出以驅(qū)動負載。實驗測試結(jié)果表明：該電源可以輸出頻率范圍為1~50kHz，最大峰值電壓為40V的任意波形。

關(guān)鍵詞 ：信號發(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：TN710?34；TM919文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1004?373X（2024）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中作為標(biāo)準(zhǔn)源而得到廣泛的應(yīng)用；在測量和控制設(shè)備的研制過程中也是重要的調(diào)試設(shè)備。近年來，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)動元件，壓電陶瓷器件在電場作用下應(yīng)變產(chǎn)生位移輸出，驅(qū)動相關(guān)機構(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)計了一種輸出波形可控的高精度數(shù)控電源。本設(shè)計中的信號發(fā)生器模塊采用直接數(shù)字頻率合成（DirectDigitalSynthesis，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，并通過電壓幅值調(diào)節(jié)電路實現(xiàn)模擬信號電壓幅值的調(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

系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖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，最后經(jīng)過功率放大電路之后驅(qū)動負載。同時，A/D轉(zhuǎn)換電路將負載兩端電壓以及流經(jīng)負載的電流進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)微處理器進行數(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存儲默認輸出波形類型、幅值和頻率的參數(shù)值。

1.2直接數(shù)字頻率合成原理

傳統(tǒng)的信號發(fā)生器采用分立元件以及模擬集成電路，以RC或LC自激振蕩為主振級的信號發(fā)生器，雖然結(jié)構(gòu)簡單，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)，工作場合比較單一。

針對傳統(tǒng)信號發(fā)生器的缺陷，本設(shè)計中采用DDS來產(chǎn)生正弦波。DDS基本結(jié)構(gòu)包括參考時鐘、相位累加器、正弦查詢表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器5個部分組成，它是采用高穩(wěn)定的參考時鐘量化抽樣時間間隔，利用信號相位與時間成線性關(guān)系的特性，直接對所需信號進行抽樣、量化和映射，輸出頻率可調(diào)的模擬信號。

2主要硬件單元設(shè)計

本設(shè)計硬件部分主要由DDS信號發(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。

2.1DDS信號發(fā)生器電路

電源輸出波形是由信號發(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)計一個高頻率精度、穩(wěn)定性強的信號發(fā)生器是保證本電源性能的關(guān)鍵。

本設(shè)計采用美國A/D公司的DDS芯片AD9850，通過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可實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成，通過內(nèi)部高速比較器可直接輸出方波。

AD9850的輸出頻率：

出相應(yīng)的頻率控制字。

DDS信號發(fā)生器電路如圖2所示。

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，但電路連接簡單，且速度快，為了充分發(fā)揮AD9850芯片的高速性能，本設(shè)計采用并行方式。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信號發(fā)生器輸出模擬信號幅值固定，無法滿足幅值可調(diào)的要求。為實現(xiàn)對輸出模擬信號幅值的數(shù)字控制，本設(shè)計采用微控制器控制D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出模擬電壓，與DDS信號發(fā)生器輸出模擬信號共同連接到模擬乘法器的輸入端，有如下表達式：

式中：Vout為電壓幅值調(diào)節(jié)電路輸出電壓；Vdds為DDS信號發(fā)生器輸出模擬信號電壓；Vd/a為D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出模擬電壓。由于DDS信號發(fā)生器輸出模擬信號電壓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，從而實現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)。本次設(shè)計采用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，大大簡化了電路。

TLC5615輸出函數(shù)為：

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

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

因此通過TLC5615和AD633可實現(xiàn)對輸出模擬信號電壓幅值0~1V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電壓和電流都比較低，不足以驅(qū)動大負載，功率放大器就是對電壓幅值調(diào)節(jié)電路輸出的模擬信號進行電壓和電流的放大，以達到驅(qū)動負載的要求。本設(shè)計采用D類功放芯片IRS2092來實現(xiàn)功率放大。IRS2092是集成PWM（PulseWidthModulation）調(diào)制器和保護的高壓高性能D類功放專用芯片，工作頻率高達800kHz，最大電壓為200V，可提供500W輸出功率，完全符合大功率輸出的要求。它的基本原理是：模擬信號輸入到IRS2092芯片中進行調(diào)制，得到兩路相位互補的PWM驅(qū)動信號。

兩個MOS管組成半橋輸出電路，PWM驅(qū)動信號驅(qū)動MOS管輪流導(dǎo)通，得到高電壓、大電流的PWM信號，再經(jīng)低通濾波器將PWM信號還原成與輸入信號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)負反饋結(jié)構(gòu)，將輸出電壓通過反饋電阻R7反饋回IRS2092的輸入端，根據(jù)IRS2092技術(shù)手冊可知電阻R7R1的比值決定了功率放大電路的電壓增益，本設(shè)計選取R7為120kΩ，R1為3kΩ，所以該功率放大電路的電壓增益Av為：

3軟件部分設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計和編程對整個系統(tǒng)高效正常運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Keil4為開發(fā)編譯環(huán)境，使用C語言進行系統(tǒng)程序的編寫。圖5為系統(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”頁面，表示系統(tǒng)工作正常，等待用戶命令。此時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)置則為默認值，待參數(shù)設(shè)置完畢，點擊“確認”則輸出所需波形。

4實驗結(jié)果

在室溫條件下，使用數(shù)字示波器UT2025C測量電源輸出波形實際頻率值，將測量值與設(shè)定值進行對比。設(shè)定輸出波形空載電壓有效值12.000V，頻率為1kHz，利用6位半安捷倫數(shù)字萬用表Agilent34401A測量不同負載下輸出電壓值和電流值。測量結(jié)果見表1、表2。

5結(jié)語

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)計方法及其實現(xiàn)原理。信號發(fā)生器電路采用DDS芯片AD9850以及積分電路實現(xiàn)，提高了電路的可靠性，簡化了電路設(shè)計，使得輸出信號具有頻帶寬、穩(wěn)定度高、頻率步進值小等優(yōu)點。本設(shè)計采用D類功率放大器進行功率放大，輸出波形功率大且效率高。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，精度高，操作簡單，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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