Entwurf und Fehlersuche einer Hochpräzisionsstromversorgung für Signaltester unter Verwendung von MAX038 und BTL-Verstärkung
1 Hardware Design des Prüfgeräte-Stromversorgungssystems
Dieses Gerät verwendet ein Standard-Klein-Signal-Generiergerät, um Kleinststromsignale mit der erforderlichen Frequenz und Phasenwinkel zu erzeugen. Anschließend wird durch Verstärker- und Phasenmodulationskreise die Arbeitsstromversorgung erzeugt.
1.1 Niederfrequente Sinuswellenkleinstromsignalgeneriergerät
Der Sinuswellenerzeuger besteht hauptsächlich aus dem Wellenformgenerierchip MAX038, hergestellt von der amerikanischen Firma MAXIM. Laut den Testanforderungen benötigt dieser Schaltkreis 3 Chips und kann mindestens 3-Kanal-Sinuswellensignale erzeugen. Der MAX038 ist ein hochpräziser Funktionsgenerator. Durch das Aufbauen eines einfachen Peripherieschaltkreises (siehe Abbildung 1) und die Steuerung der Chip-Pins A₀ und A₁ (siehe Tabelle 1) können Sinus-, Rechteck- und Dreieckswellen erzeugt werden.
Frequenzanpassung: Wenn der Pin FADJ auf Nullpegel steht, kann die Ausgangsfrequenz durch die Formel Fₐ = IIN / Cf berechnet werden (wo IIN= Vref/ Rin; Fₐ ist die Ausgangsfrequenz, in MHz; Cf ist die externe Schaltkreiskapazität des Oszillators, in pF; IIN ist der Ausgangsstrom des Pins IN, in μA; Vref ist die Ausgangsspannung des Pins REF; Rin ist der Eingangswiderstand des Pins IN).
Tastverhältnisanpassung: Die Spannungsänderung am Pin DADJ ändert die relativen Ladungs- und Entladezeiten der Kapazität Cf. Wenn der Pin DADJ auf Nullpegel steht, beträgt das Tastverhältnis 50%. Wenn die Spannung am Pin DADJ im Bereich von -2,3 bis 2,3 V variiert, ändert sich das Tastverhältnis im Bereich von 85% bis 15%. Die Tastverhältnisanpassung kann durch die Formel Vdadj = -50%- DC × 0,0575 berechnet werden (wo Vdadj die Spannung am Pin DADJ ist).
1.2 Realisierung der Einphasen-, Dreiphasen- und Zweiphasen-Orthogonal-Ausgabe von Kleinstromsignalen
Der Phasendetektor innerhalb des MAX038 kann verwendet werden, um einen Phasenregelkreis aufzubauen. Wenn dreiphasige Rechteckwellensignale an die PDI-Terminals von drei MAX038s eingespeist werden, werden die von ihnen ausgegebenen drei Sinuswellensignale dreiphasige Wechselstromsignale sein. Für eine einphasige Signalausgabe können zwei Sinuswellengeneratoren deaktiviert und nur der dritte Sinuswellengenerator arbeiten.
Es ist nicht notwendig, Phasenanpassungssignale an PDI einzuspeisen. Das Prinzip der zweiphasigen orthogonalen Signalausgabe ist konsistent mit der dreiphasigen Ausgabe. Zuerst wird ein Sinuswellengenerator deaktiviert, dann werden zwei orthogonale Rechteckwellensignale an die PDI-Terminals der verbleibenden beiden Sinuswellengeneratoren eingespeist. Die von ihnen ausgegebenen zwei Sinuswellensignale werden zweiphasige orthogonale Wechselstromsignale sein. Dieses rechteckige externe Synchronisationssignal wird durch ein programmierbares PLD implementiert. Das dreiphasige Netzfrequenz-Rechteckwellensignal wird in 6 Zustände unterteilt (siehe Abbildung 2).
Offensichtlich beträgt die Zeitdifferenz zwischen jedem Zustand 3,3 ms (bei einer Periode von 20 ms bei 50 Hz). Solange jeder der 6 Ausgabestände 3,3 ms dauert und unendlich in positiver Reihenfolge zyklisch wiederholt wird, kann das dreiphasige Netzfrequenz-Rechteckwellensignal ausgegeben werden. Ähnlich wird das zweiphasige orthogonale Signal in 4 Zustände (S₇, S₈, S₉, S₁₀) unterteilt. Die Zeitdifferenz zwischen jedem Zustand beträgt 5 ms. Solange jeder der 4 Ausgabestände 5 ms dauert und unendlich in positiver Reihenfolge zyklisch wiederholt wird, kann das zweiphasige orthogonale Netzfrequenz-Rechteckwellensignal ausgegeben werden.
Das Phasensynchronisationssteuerungswellenform des MAX038 gibt Signale Q₂, Q₀, Q₁ von den Pins 16#, 14# und 13# des programmierbaren Chips P16R6 (siehe P16R6-Daten) an die externen Synchronisationssignale PDI-Terminals von drei MAX038s. An der Ausgabe des Pins 13# ist ein UND-Gatter installiert, gesteuert durch das Signal Q₃. Durch die Bearbeitung des Programms, sodass Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ bestimmten Bedingungen entsprechen (Tabelle 2), kann die Erzeugung von dreiphasigen und zweiphasigen orthogonalen rechteckigen externen Synchronisationssignalen erreicht werden.
1.3 Implementierungsprinzip der Leistungsverstärkung
Der einphasige Verstärkerschaltkreis ist als Brückenschaltung (BTL) konzipiert. Die beiden Enden der Last sind jeweils mit den Ausgangsterminals von zwei Verstärkern verbunden. Der Ausgang eines Verstärkers ist das Spiegelbild des anderen. Das bedeutet, dass die Signale, die an den beiden Enden der Last angelegt werden, nur eine Phasendifferenz von 180° haben. Die auf der Last erhaltene Spannung ist doppelt so groß wie die ursprüngliche einseitige Ausgangsspannung (siehe Abbildung 3), was der Anforderung gerecht wird, dass die einphasige Ausgabe mindestens 100 W betragen muss.
2 Debugging der Prüfgeräte-Stromversorgungshardware
2.1 Verzerrungsanpassung der Ausgangswellenform
Tastverhältniseinstellung: Ein Spannungssteuersignal im Bereich von -2,3V bis +2,3V wird an den DADJ-Anschluss des MAX038 angelegt, um die Ladungs- und Entladezeit der Kapazität Cf anzupassen. Die durch den Oszillator erzeugte Dreieckswelle wird im Bereich von 10% bis 90% eingestellt und schließlich verzerrte Sinus-, Sägezahn- und Impulswellen erzeugt. Da ein konstanter Strom von 250 μA in den DADJ-Anschluss fließt, wird ein Widerstand Rd zwischen diesem Anschluss und dem Referenzversorgungsanschluss REF verbunden. Dann: Vdadj = Vref - 0,25Rd; Durch die Anpassung des Werts von Rd kann das Tastverhältnis von Dreiecks- und Sägezahnsignalen ohne Beeinträchtigung der synchronen Ausgangsimpulse eingestellt werden, und Rd sollte nicht größer als 20 kΩ sein.
2.2 Frequenzanpassung der Ausgangswellenform
Die Ausgangsfrequenz des MAX038 wird durch die Oszillatorkapazität Cf, den IIN-Strom und die FADJ-Spannung gesteuert. Bei fester Cf wird die Feineinstellung der Frequenz durch die Steuerung des IIN-Anschlusses erreicht. Für die digitale Steuerung werden DACs an IIN und FADJ angeschlossen. Diese erzeugen kleine Spannungen, die in 0-748 μA Strom (plus 2 μA vom Netzwerk) für 2-750 &μA an IIN umgewandelt werden, um den Ausgangsfrequenzbereich zu erzeugen. Der DAC teilt diesen Bereich in 256 Stufen, wodurch eine grobe Einstellung über den IIN-Strom und eine Feineinstellung über den DAC ermöglicht wird.
2.3 Spannungsanpassung des Leistungsverstärkerschaltkreises
Die drei einphasigen Spannungstransformator-Schaltkreise fungieren als dreiphasiger Transformator zur gleichzeitigen Signalverstärkung (um den signifikanten Einfluss des direkten Einsatzes eines dreiphasigen Transformators auf Kleinsignale zu vermeiden). Spannungsanpassungen zwischen 200 V und 80 V werden durch die Regulierung der Transformatoren erreicht.
2.4 Spannungsanpassung des Gleichstromarbeitskreises
Ein Gleichspannungs-Transformations- und -Stabilisierungsschaltkreis liefert stabile Gleichspannung von der vor Ort verfügbaren 220 V Wechselspannung. Er gibt +35 V und +5 V (gemäß den Transformatorgenauigkeitsanforderungen) mithilfe der DC-Leistungsmodule 7805 und 7905 aus.
3 Schlussfolgerung
Die entworfene Stromversorgung weist klare Funktionalität, Kosteneffizienz und hohe Ausgangsgenauigkeit auf und erfüllt vollständig die Anforderungen an Prüfinstrumente.
Modulares Design reduziert die Komplexität, wobei die Schaltkreise vernetzt, aber unabhängig sind. Klare Funktionsaufteilung (Sinuswellenerzeugung, Phasensteuerung, Leistungsverstärkung, Gleichstromversorgung) ermöglicht kontinuierliche Aktualisierungen, um den Bedürfnissen der Benutzer gerecht zu werden.
Steuerungssignale Q0-Q3 ermöglichen die Kompatibilität mit Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) und digitale Steuerung. In Kombination mit dem modularen Design kann das Gerät dreiphasige, zweiphasige orthogonale und einphasige Sinussignale sowie Rechteck- und Dreieckswellen mit verschiedenen Phasenanforderungen ausgeben, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen.
