輸出波形可控高精度數(shù)控電源設(shè)計(jì)方案

1、輸出波形可控的高精度數(shù)控電源設(shè)計(jì)胡超，許宜申（蘇州大學(xué)物理與光電能源學(xué)部，江蘇蘇州215006）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150 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

2、；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收稿日期：2014?12?090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(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

3、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

4、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(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。SH 電猱現(xiàn)址總埋姬出第腔酒ru硏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)簡單，頻率范圍寬，但是還是克服不了穩(wěn)定 性、準(zhǔn)確

5、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(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

6、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(shí)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:LW臚ti)式中血為時(shí)鐘頻和V為頻率控制字.頻率控制? Xf 4 表達(dá)為仏，所以根據(jù)預(yù)設(shè)的輸岀頻率可以計(jì)算 出相應(yīng)的頻率控制字°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TOO POJ

7、RC：P輕"P展PI0DCD|mDIIHD5DEIP呂-w CH"-匸 負(fù)一三 CKJWRI-SJ-Tdzm CWM1M2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)P0 口連接揮AD9850芯片的高速性能，本設(shè)計(jì)采用并行方式。微處理器的 AD9850并行輸入端（D0D7 ）,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AD9

8、850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：1%化（2）I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

9、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：小72”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SU 電壓槁値洞節(jié)電為AD633是一款功能完整的四象限模擬乘法器，具有土寬供 ± 18 V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：丄可厲FJ/皿（4）本設(shè)計(jì)申ma全接地變?yōu)槌卸藢?duì)地輸人線性控制輸出電壓值&q

10、uot;那么其輸出電壓值為：= V-鼻汀丄JNb（5）因此通過TLC5615和AD633可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出模擬信號(hào)電壓幅值 01 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

11、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R7 R1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 k Q，R1為3 k Q，所以該功率放大電路的電壓增益 Av為:害二號(hào)=40IC-iil3 Id CZMrr：占懇ItlkO2

12、"VAA(SHGKDVBF*ric>COMP注CWMTvssWinLi'LtJM(K5F.TDTl« Ml4 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語言進(jìn)行系統(tǒng)程序的編寫。圖5為系統(tǒng)軟件流程圖。wm林射了聊呼I WkiL呵用在人時(shí)心.w (龍o螢tr；QiiA 加 io：'L hf.V wv'Uti，'、.Ei tlj： /*. /-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)

13、置”頁面，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

14、，簡化了電路設(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，操作簡單，具有廣泛的應(yīng)用前景藕N類率齋結(jié)果說定血安制it相劉暹誥迫%too Jk口剛AJ Hz0.9son50231 山i畑0.9Q5 kik10 kHz9.95 kHi032G klU20.05 kEh0.2550 kHz50.03 kHz0.06表2 電吐赳充薊數(shù)抵fi就電JX A也伍徂也試値、i.3S01J4512.00S0.7573 2.002I i .<W40.39211.9940.2門i 1.0*)70J19ILW50

15、.0)811.997O.oslHOTS0,05912 001參考文獻(xiàn)1 吳茂成，許宜申，顧濟(jì)華，等高精度數(shù)控可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)J.微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（ 14）: 28?31.2 徐俊，黃釗，肖站，等基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)J.江蘇電器，2008 （ 9）: 6?9.3 劉文輝，周嚴(yán).程控任意波形功率電源的研究J.電子設(shè)計(jì)工程，2011（6）: 168?171.4 劉偉，胡仁杰，王崢.基于AD9850芯片的信號(hào)發(fā)生器的研究J.電工電氣，2009 （ 11）: 19?21. 石桂名，冀勇鋼，彭海龍.基于AD9850的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010, 33 （1）: 117?119.6 黃天祿，張瀅，董軍.功率放大器兩種實(shí)現(xiàn)方法的比較J.現(xiàn)代電子技 術(shù)，2003，26（ 2）: 77?78.7 周嚴(yán)，侯麗雅，章維一 波形和參數(shù)在線可編程的功率電源及其應(yīng)用 J.電測(cè)與儀表，2004（ 1）: 17?19.8 常永輝.高