Diseño y depuración de una fuente de alimentación de alta precisión para probadores de señales utilizando MAX038 y amplificación BTL

1 Diseño de Hardware de la Fuente de Alimentación del Probador

Este dispositivo utiliza un generador de señales de pequeña señal estándar para generar señales de corriente pequeña con la frecuencia y el ángulo de fase requeridos. Luego, a través del circuito amplificador y del circuito modulador de fase, se genera la fuente de alimentación de trabajo.

1.1 Dispositivo Generador de Señales de Corriente Pequeña de Onda Senoidal a Frecuencia de Red

El circuito generador de onda senoidal está compuesto principalmente por el chip de generación de formas de onda MAX038 producido por la Corporación MAXIM de los Estados Unidos. Según los requisitos de prueba, este circuito necesita 3 chips y puede generar al menos 3 canales de señales senoidales. El MAX038 es un generador de funciones de alta precisión de alta frecuencia. Construyendo un circuito periférico simple (ver Figura 1) y controlando los pines A₀ y A₁ (ver Tabla 1), se pueden generar ondas senoidales, rectangulares y triangulares.

Ajuste de frecuencia: Cuando el pin FADJ está en nivel cero, la frecuencia de salida se puede calcular mediante la fórmula Fₐ = I_IN / C_f (donde I_IN= V_ref/ R_in; Fₐ es la frecuencia de salida, en MHz; C_f es la capacitancia del circuito externo del oscilador, en pF; I_IN es la corriente de salida del pin I_N, en μA; V_ref es el voltaje de salida del pin REF; R_in es la resistencia de entrada del pin IN).

Ajuste del ciclo de trabajo: El cambio de voltaje en el pin DADJ cambiará las tasas relativas de carga y descarga del condensador C_f. Cuando el pin DADJ está en nivel cero, el ciclo de trabajo es del 50%. Cuando el voltaje del pin DADJ cambia en el rango de -2.3～2.3 V, el ciclo de trabajo cambia en el rango de 85%～15%. El ajuste del ciclo de trabajo se puede calcular mediante la fórmula V_dadj =₋50%- DC×0.0575 (donde V_dadj es el voltaje en el pin DADJ).

1.2 Realización de la Salida Monofásica, Trifásica y Bifásica Ortogonal de Señales de Corriente Pequeña

El detector de fase interno del MAX038 se puede utilizar para construir un circuito de bucle cerrado de fase. Cuando se introducen señales de onda cuadrada trifásica en los terminales PDI de tres MAX038, las tres señales senoidales que ellos generan serán señales AC trifásicas. Para la salida de una señal monofásica, se pueden apagar dos generadores de señales senoidales, y solo funciona el tercer generador de ondas senoidales.

No es necesario introducir señales de ajuste de fase en PDI. El principio de la salida de señales bifásicas ortogonales es consistente con el de la salida trifásica. Primero, se apaga un generador de señales senoidales, y luego se aplican dos señales de onda cuadrada ortogonales a los terminales PDI de los dos generadores de señales senoidales restantes, respectivamente. Las dos señales senoidales que ellos generan serán señales AC bifásicas ortogonales. Esta señal de sincronización externa rectangular se implementa mediante un PLD programable. Se divide la señal de onda cuadrada trifásica de frecuencia de red en 6 estados (ver Figura 2).

Obviamente, la diferencia de tiempo entre cada estado es de 3.3 ms (con un período de 20 ms a 50 Hz). Siempre que los 6 estados de salida duren 3.3 ms y se repitan infinitamente en secuencia positiva, se puede generar la señal de onda cuadrada trifásica de frecuencia de red. De manera similar, se procesa la señal bifásica ortogonal y se divide en 4 estados (S₇, S₈, S₉, S₁₀). La diferencia de tiempo entre cada estado es de 5 ms. Siempre que los 4 estados de salida duren 5 ms y se repitan infinitamente en secuencia positiva, se puede generar la señal de onda cuadrada bifásica ortogonal de frecuencia de red.

La forma de onda de control de sincronización de fase del MAX038 emite señales Q₂, Q₀, Q₁ desde los pines 16#, 14# y 13# del chip programable P16R6 (consulte los datos del P16R6) a los terminales de señal de sincronización externa PDI de tres MAX038. Se establece una puerta AND en la salida del pin 13#, controlada por la señal Q₃. Al editar el programa para que Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ cumplan condiciones específicas (Tabla 2), se puede lograr la generación de señales de sincronización externa rectangular trifásica y bifásica ortogonal.

1.3 Principio de Implementación de la Amplificación de Potencia

El circuito de amplificación monofásica se diseña con una estructura de carga conectada en puente (BTL). Los dos extremos de la carga están conectados respectivamente a los terminales de salida de dos amplificadores. La salida de un amplificador es la salida espejo del otro. Es decir, las señales cargadas en los dos extremos de la carga solo tienen una diferencia de fase de 180°. El voltaje obtenido en la carga es el doble del voltaje de salida de un solo extremo (ver Figura 3), cumpliendo el requisito de que la salida monofásica no sea inferior a 100 W.

2 Depuración del Hardware de la Fuente de Alimentación del Probador
2.1 Ajuste de Distorsión de la Forma de Onda de Salida

Configuración del ciclo de trabajo: Aplicar una señal de control de voltaje que varíe de -2.3V a +2.3V al terminal DADJ del MAX038 para ajustar el tiempo de carga y descarga del condensador C_f. Ajustar la onda triangular generada por el oscilador dentro del rango del 10% al 90%, y finalmente generar ondas senoidales, aserradas y pulsadas distorsionadas. Dado que fluye una corriente constante de 250 μA en el terminal DADJ, conectar una resistencia R_d entre este terminal y el pin de suministro de referencia REF. Entonces: V_dadj = V_ref - 0.25R_d; Ajustar el valor de R_d puede ajustar el ciclo de trabajo de las ondas triangulares y aserradas sin afectar las pulsaciones de salida sincrónicas, y R_d no debe ser mayor de 20 kΩ.

2.2 Ajuste de Frecuencia de la Forma de Onda de Salida

La frecuencia de salida del MAX038 se controla mediante el condensador de oscilación C_f, la corriente IIN y el voltaje FADJ. Con un C_f fijo, se logra un ajuste fino de la frecuencia controlando el pin IIN. Para el control digital, se conectan DAC a IIN y FADJ. Estos generan pequeños voltajes, convertidos en corriente de 0-748 μA (más 2 μA de la red) para 2-750 μA en IIN, creando el rango de frecuencia de salida. El DAC divide este rango en 256 pasos, permitiendo un ajuste grueso a través de la corriente IIN y un ajuste fino a través del DAC.

2.3 Ajuste de Voltaje de Salida del Circuito de Amplificación de Potencia

Los tres circuitos de transformador de elevación monofásico funcionan como un transformador trifásico para la amplificación simultánea de señales (evitando el impacto significativo del uso directo de un transformador trifásico en las señales pequeñas). Los ajustes de voltaje entre 200 V y 80 V se logran regulando los transformadores.

2.4 Ajuste de Voltaje del Circuito de Alimentación CC de Trabajo

Un circuito de transformación y estabilización de voltaje CC proporciona energía CC estable a partir de la alimentación CA de 220 V en el sitio. Utiliza módulos de alimentación CC 7805 y 7905 para generar +35 V y +5 V (cumpliendo con los requisitos de precisión del transformador).

3 Conclusión

• La fuente de alimentación diseñada tiene funciones claras, es rentable y tiene una alta precisión de salida, cumpliendo plenamente con los requisitos de los instrumentos de prueba.

• El diseño modular reduce la complejidad, con circuitos interconectados pero independientes. La división funcional clara (generación de onda senoidal, control de fase, amplificación de potencia, suministro CC) permite actualizaciones continuas para satisfacer las necesidades del usuario.

• Las señales de control Q₀-Q₃ permiten la compatibilidad con MCU y el control digital. Combinado con el diseño modular, el dispositivo genera señales senoidales de frecuencia única, trifásicas y bifásicas ortogonales, así como ondas cuadradas y triangulares con diversos requisitos de fase, satisfaciendo tareas diversas.