輸出波形可控的高精度數控電源設計

胡超+許宜申

摘 要： 針對精密儀器和精密機電系統中對任意波形電源的應用需求，設計一種輸出波形可控的高精度數控電源。系統采用模塊化設計，主要包括信號發生器、電壓幅值調節、功率放大器、A/D轉換和觸摸式液晶屏顯示等模塊。信號發生器采用直接數字頻率合成技術和積分電路，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，并通過電壓幅值調節模塊實現模擬信號電壓幅值可調，最后經功率放大器后輸出以驅動負載。實驗測試結果表明：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。

關鍵詞： 信號發生器； 直接數字頻率合成器； 任意波形電源； 調幅電路； 功率放大器

中圖分類號： TN710?34； TM919 文獻標識碼： A 文章編號： 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中作為標準源而得到廣泛的應用；在測量和控制設備的研制過程中也是重要的調試設備。近年來，壓電陶瓷器件作為新型位移器件，已成為微位移系統中的驅動元件，壓電陶瓷器件在電場作用下應變產生位移輸出，驅動相關機構產生微位移，而應變是由電源的頻率、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控電源已成為精密儀器和精密機電系統中的重要組成部分，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、電壓幅值可調以及大功率的應用需求，設計了一種輸出波形可控的高精度數控電源。本設計中的信號發生器模塊采用直接數字頻率合成（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，并通過電壓幅值調節電路實現模擬信號電壓幅值的調節。功率放大器采用D類功率放大器，效率達到90%以上，采用觸摸液晶屏設置波形參數以及顯示當前電源輸出狀態。

1 系統基本工作原理

1.1 系統總體方案設計

系統的總體設計方案如圖1所示。系統工作前在觸摸液晶屏上設置電源輸出波形、頻率以及電壓幅值，確定后觸摸液晶屏將電源輸出參數通過串口通信傳遞到微處理器，微處理根據設置參數控制信號發生器并經電壓幅值調節得到預設模擬信號，最后經過功率放大電路之后驅動負載。同時，A/D轉換電路將負載兩端電壓以及流經負載的電流進行模/數轉換，經微處理器進行數據處理后，在觸摸液晶上顯示電源當前輸出狀態。E2PROM存儲默認輸出波形類型、幅值和頻率的參數值。

圖1 電源系統原理框圖

1.2 直接數字頻率合成原理

傳統的信號發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生器，雖然結構簡單，頻率范圍寬，但是還是克服不了穩定性、準確性差的問題。石英晶體振蕩器雖然穩定度和準確度高，但它的頻率不可調，工作場合比較單一。

針對傳統信號發生器的缺陷，本設計中采用DDS來產生正弦波。DDS基本結構包括參考時鐘、相位累加器、正弦查詢表、D/A轉換器和低通濾波器5個部分組成，它是采用高穩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，輸出頻率可調的模擬信號。

2 主要硬件單元設計

本設計硬件部分主要由DDS信號發生器電路、電壓幅值調節電路和D類功率放大電路等組成。

2.1 DDS信號發生器電路

電源輸出波形是由信號發生器經電壓幅值調節電路和功率放大電路之后得到，所以信號發生器的性能高低是決定其頻率精度以及穩定性的重要因素之一。因此，設計一個高頻率精度、穩定性強的信號發生器是保證本電源性能的關鍵。

本設計采用美國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可實現全數字編程控制的頻率合成，通過內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為時鐘頻率；M為頻率控制字，頻率控制字M可表達為fout×[232fclk]，所以根據預設的輸出頻率可以計算出相應的頻率控制字。

DDS信號發生器電路如圖2所示。

圖2 DDS信號發生器電路圖

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，但電路連接簡單，且速度快，為了充分發揮AD9850芯片的高速性能，本設計采用并行方式。微處理器的P0口連接AD9850并行輸入端 （D0～D7），產生的正弦信號經低通濾波器（LPF）之后，濾除高頻諧波得到穩定的正弦波。正弦波經電壓比較器后輸出占空比可調的方波，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 電壓幅值調節電路

由于AD9850輸出正弦波和方波的電壓幅值不可調，所以DDS信號發生器輸出模擬信號幅值固定，無法滿足幅值可調的要求。為實現對輸出模擬信號幅值的數字控制，本設計采用微控制器控制D/A轉換芯片輸出模擬電壓，與DDS信號發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：

[Vout=Vdds·Vda] （2）

式中：Vout為電壓幅值調節電路輸出電壓；Vdds為DDS信號發生器輸出模擬信號電壓；Vd/a為D/A轉換芯片輸出模擬電壓。由于DDS信號發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轉換芯片輸出模擬電壓Vd/a決定，從而實現幅值調節。本次設計采用D/A轉換芯片TLC5615和模擬乘法器AD633。圖3為電壓幅值調節電路。

TLC5615是10位串行數/模轉換器，其輸出為電壓型，轉換速度快，只需要3根串行總線就可以完成10位數據的串行輸入，大大簡化了電路。

TLC5615輸出函數為：

[Vda=Vref·N210] （3）

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

圖3 電壓幅值調節電路

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輸出函數為：

[Vout=X1-X2Y1-Y210] （4）

本設計中X2、Y2、Z全接地，變為單端對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TLC5615和AD633可實現對輸出模擬信號電壓幅值0～1 V的數字控制。

2.3 功率放大電路

電壓幅值調節電路輸出的模擬信號電壓和電流都比較低，不足以驅動大負載，功率放大器就是對電壓幅值調節電路輸出的模擬信號進行電壓和電流的放大，以達到驅動負載的要求。本設計采用D類功放芯片IRS2092來實現功率放大。IRS2092是集成PWM（Pulse Width Modulation）調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：模擬信號輸入到IRS2092芯片中進行調制，得到兩路相位互補的PWM驅動信號。兩個MOS管組成半橋輸出電路，PWM驅動信號驅動MOS管輪流導通，得到高電壓、大電流的PWM信號，再經低通濾波器將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。電路采用閉環負反饋結構，將輸出電壓通過反饋電阻R7反饋回IRS2092的輸入端，根據IRS2092技術手冊可知電阻[R7R1]的比值決定了功率放大電路的電壓增益，本設計選取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 軟件部分設計

系統軟件的設計和編程對整個系統高效正常運行起著極其重要的作用，直接影響系統性能的高低。系統軟件以Keil 4為開發編譯環境，使用C語言進行系統程序的編寫。圖5為系統軟件流程圖。

圖5 系統軟件流程圖

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“參數設置”頁面，表示系統工作正常，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，如不設置則為默認值，待參數設置完畢，點擊“確認”則輸出所需波形。

4 實驗結果

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

5 結 語

本文介紹了一種輸出波形可控的高精度數控電源的設計方法及其實現原理。信號發生器電路采用DDS芯片AD9850以及積分電路實現，提高了電路的可靠性，簡化了電路設計，使得輸出信號具有頻帶寬、穩定度高、頻率步進值小等優點。本設計采用D類功率放大器進行功率放大，輸出波形功率大且效率高。系統性能穩定，精度高，操作簡單，具有廣泛的應用前景。

表1 頻率測量結果

表2 電壓電流測量數據

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