Návrh a ladění vysokopřesného zdroje napájení pro signální testery s využitím MAX038 a BTL zesilování

1 Návrh hardwaru zdroje napájení testovacího zařízení

Toto zařízení používá standardní generátor malých signálů pro vytváření malých proudových signálů s požadovanou frekvencí a fázovým úhlem. Poté se prostřednictvím zesilovací obvodu a fázově modulovaného obvodu vygeneruje pracovní zdroj napájení.

1.1 Generátor malých signálů sinusové vlny síťové frekvence

Generující obvod sinusové vlny je hlavně tvořen čipem MAX038 od společnosti MAXIM Corporation z USA. Podle požadavků testu je tento obvod vybaven 3 čipy a může vygenerovat alespoň 3 kanály sinusových signálů. MAX038 je vysokofrekvenční přesný funkční generátor. Postavením jednoduchého okolního obvodu (viz obrázek 1) a ovládáním pinů A₀ a A₁ (viz Tabulka 1) lze vygenerovat sinusové, pravoúhlé a trojúhelníkové vlny.

Úprava frekvence: Pokud je pin FADJ na nulové úrovni, lze výstupní frekvenci spočítat pomocí vzorce Fₐ = I_IN / C_f (kde I_IN= V_ref/ R_in; Fₐ je výstupní frekvence, v MHz; C_f je externí kapacitance oscilátoru, v pF; I_IN je výstupní proud z pinu I_N, v μA; V_ref je výstupní napětí z pinu REF; R_in je vstupní odpor z pinu IN).

Úprava duty cyklu: Změna napětí na pinu DADJ změní relativní rychlosti nabíjení a vybíjení kondenzátoru C_f. Když je pin DADJ na nulové úrovni, duty cyklus je 50 %. Když se napětí na pinu DADJ mění v rozmezí -2,3 až 2,3 V, duty cyklus se mění v rozmezí 85 % až 15 %. Úpravu duty cyklu lze spočítat podle vzorce V_dadj =₋50%- DC×0,0575 (kde V_dadj je napětí na pinu DADJ).

1.2 Realizace jednofázové, třífázové a dvoufázové ortogonální výstup malých signálů

Fázový detektor uvnitř MAX038 lze použít k vytvoření fázově uzamčené smyčky. Pokud se třífázové pravoúhlé vlnové signály přivedou na terminály PDI tří MAX038, tři sinusové signály, které vygenerují, budou třífázovými AC signály. Pro výstup jednofázového signálu lze vypnout dva generátory sinusových signálů a nechat pracovat pouze třetí generátor sinusových signálů.

Není třeba přivádět signály pro fázovou úpravu na PDI. Princip výstupu dvoufázových ortogonálních signálů je stejný jako u třífázového výstupu. Nejdříve vypněte jeden generátor sinusových signálů a pak přidejte dva ortogonální pravoúhlé vlnové signály na terminály PDI zbývajících dvou generátorů sinusových signálů. Dva sinusové signály, které vygenerují, budou dvoufázovými ortogonálními AC signály. Tento pravoúhlý externí synchronizační signál je implementován programovatelným PLD. Rozdělte třífázový síťový frekvenční pravoúhlý vlnový signál do 6 stavů (viz obrázek 2).

Je zřejmé, že časový rozdíl mezi každým stavy je 3,3 ms (s periodou 20 ms při 50 Hz). Pokud trvají 6 výstupních stavů po 3,3 ms a cyklicky se opakují v pozitivním pořadí, lze vystavit třífázový síťový frekvenční pravoúhlý vlnový signál. Obdobně zpracujte dvoufázový ortogonální signál a rozdělte ho do 4 stavů (S₇, S₈, S₉, S₁₀). Časový rozdíl mezi každým stavy je 5 ms. Pokud trvají 4 výstupní stavy po 5 ms a cyklicky se opakují v pozitivním pořadí, lze vystavit dvoufázový ortogonální síťový frekvenční pravoúhlý vlnový signál.

Fázová synchronizační kontrola vlnového tvaru MAX038 vystavuje signály Q₂, Q₀, Q₁ z pinů 16#, 14# a 13# programovatelného čipu P16R6 (viz data P16R6) na externí synchronizační signálové terminály PDI tří MAX038. Na výstupu z pinu 13# je nastavena hradla AND, řízená signálem Q₃. Programováním tak, aby Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ splňovaly specifické podmínky (Tabulka 2), lze dosáhnout generování třífázových a dvoufázových ortogonálních pravoúhlých externích synchronizačních signálů.

1.3 Princip realizace zesilování napětí

Jednofázový zesilovací obvod je navržen jako struktura Bridge-Tied Load (BTL). Dvě konce zátěže jsou připojeny k výstupním terminálům dvou zesilovačů. Výstup jednoho zesilovače je zrcadlovým výstupem druhého. To znamená, že signály na dvou koncích zátěže mají fázový rozdíl 180°. Napětí získané na zátěži je dvojnásobkem původního jednovrstvého výstupního napětí (viz obrázek 3), což splňuje požadavek, aby jednofázový výstup nebyl nižší než 100 W.

2 Ladičská práce na hardwaru zdroje napájení testovacího zařízení
2.1 Úprava zkreslení výstupního vlnového tvaru

Nastavení duty cyklu: Přiložte napěťový kontrolovací signál v rozmezí -2,3 V až +2,3 V na terminál DADJ MAX038 pro úpravu doby nabíjení a vybíjení kondenzátoru C_f. Upravte trojúhelníkový vlnový tvar vygenerovaný oscilátorem v rozmezí 10 % až 90 % a nakonec vygenerujte zkreslené sinusové vlny, pilovité vlny a impulsní vlny. Protože do terminálu DADJ pramení konstantní proud 250 μA, připojte odporník R_d mezi tímto terminálem a referenčním napájecím pinem REF. Pak: V_dadj = V_ref - 0,25R_d; Upravováním hodnoty R_d lze upravit duty cyklus trojúhelníkových a pilovitých vln bez ovlivnění synchronních výstupních impulsů, a R_d by neměl být větší než 20 kΩ.

2.2 Úprava frekvence výstupního vlnového tvaru

Výstupní frekvence MAX038 je ovládána oscilačním kondenzátorem C_f, proudem IIN a napětím FADJ. S pevně daným C_f se jemná úprava frekvence dosahuje ovládáním pinu IIN. Pro digitální ovládání jsou ke IIN a FADJ připojeny DAC. Tyto generují malá napětí, která jsou převedena na proud 0-748 μA (plus 2 μA z sítě) pro 2-750 μA na IIN, což vytváří rozsah výstupní frekvence. DAC rozděluje tento rozsah na 256 kroků, což umožňuje hrubou úpravu proudu IIN a jemnou úpravu pomocí DAC.

2.3 Úprava výstupního napětí zesilovacího obvodu

Tři jednofázové obvody s transformátorem slouží jako třífázový transformátor pro současné posilování signálů (což zabrání významnému dopadu přímého použití třífázového transformátoru na malé signály). Regulace napětí mezi 200 V a 80 V je dosažena regulací transformátorů.

2.4 Úprava napětí DC pracovního obvodu

Obvod transformace a stabilizace DC napětí poskytuje stabilní DC napájení ze zdroje 220 V AC. Používá DC napájecí moduly 7805 a 7905 pro výstup +35 V a +5 V (splňující požadavky na přesnost transformátoru).

3 Závěr

• Navržený zdroj napájení má jasnou funkčnost, nízké náklady a vysokou přesnost výstupu, což plně splňuje požadavky testovacích přístrojů.

• Modulární návrh snižuje složitost, s propojenými, ale nezávislými obvody. Jasná funkční členění (generování sinusových vln, fázová kontrola, zesilování napětí, DC zdroj) umožňuje neustálé vylepšování pro splnění potřeb uživatelů.

• Ovládací signály Q₀-Q₃ umožňují kompatibilitu s MCU a digitální ovládání. V kombinaci s modulárním návrhem zařízení vystavuje třífázové, dvoufázové ortogonální a jednofrekvenční sinusové signály, plus pravoúhlé a trojúhelníkové vlny s různými fázovými požadavky, což splňuje různé úkoly.