Suunnittelu ja vianmääritys signaalitestiin tarkoitetulle korkeatarkkuudelliselle virtalähteelle MAX038:n ja BTL-vahvistuksen käyttöön

1 Testilaitteen virranlähteen järjestelmäsuunnittelu

Tämä laite käyttää vakiokokoa pienisignaaligeneraattoria, joka luo vaadittavaa taajuutta ja vaihekulmaa sisältäviä pienisignaaleja. Sitten näitä signaaleja vahvistetaan ja vaihekytketään, jolloin syntyy toimintavirta.

1.1 Vaihekytketty sinimuotoisen pienisignaalin generointi

Sinimuodon generointipiiri koostuu pääasiassa MAXIM Corporationin Yhdysvalloissa valmistamasta MAX038-kaavakkeesta. Mittausvaatimusten mukaan tätä piiriä tarvitaan kolme kappaletta, ja se voi tuottaa vähintään kolme kanavan sinimuotoisia signaaleja. MAX038 on korkeatasoinen tarkkuuden funktiogeneraattori. Yksinkertaisen ulkopuolisen piirin rakentamisen (kuvassa 1) ja kaavakkeen A₀ ja A₁-pinnien ohjauksen (tabelissa 1) avulla voidaan luoda sinimuodot, suorakaidesignaali ja kolmiohajonta.

Taajuuden säädö: Kun FADJ-pinni on nollatasossa, lähtevän taajuuden voidaan laskea kaavalla Fₐ = I_IN / C_f (missä I_IN= V_ref/ R_in; Fₐ on lähtevä taajuus, MHz:ssa; C_f on ulkopuolinen kapasitanssi, pF:ssä; I_IN on I_N-pinin lähtevä virta, μA:ssa; V_ref on REF-pinin lähtevä jännite; R_in on IN-pinin syöttötappio).

Pulssisuhteiden säädö: DADJ-pinin jännitteen muutos muuttaa C_f-kapasitanssin suhteellisia varautumis- ja purkujäyhyksiä. Kun DADJ-pinni on nollatasossa, pulssisuhteena on 50 %. Kun DADJ-pinin jännite vaihtelee välillä -2.3~2.3 V, pulssisuhteessa tapahtuu muutosta välillä 85%~15%. Pulssisuhteen säädön voi laskea kaavalla V_dadj =₋50%- DC×0.0575 (missä V_dadj on DADJ-pinin jännite).

1.2 Yksivaiheisten, kolmivaiheisten ja kaksivaiheisten ortogonaalisten pienisignaalien toteuttaminen

MAX038:n sisäinen vaihevaimennin voidaan käyttää vaihesidonnepiirin rakentamiseen. Kun kolmiavaiheiset suorakaidesignaalit annetaan kolmen MAX038:n PDI-pinnille, niiden lähtevät kolme sinimuotoista signaalia ovat kolmiavaiheisia vaihesidonnepiirejä. Yksivaiheisen signaalin saamiseksi kaksi sinimuotoista signaaligeneraattoria voidaan poistaa käytöstä, ja vain kolmas sinimuotoisen signaalin generoija toimii.

Ei ole tarvetta antaa vaihesidonnepiirien säädösmerkkejä PDI-pinnille. Kaksivaiheisen ortogonaalisen signaalin tuotannon periaate on sama kuin kolmivaiheiselle. Poistetaan yksi sinimuotoisen signaalin generoija käytöstä, ja sitten sovelletaan kaksi ortogonaalista suorakaidesignaalia jäljelle jäävien kahden sinimuotoisen signaalin generoijan PDI-pinneihin. Niiden lähtevät kaksi sinimuotoista signaalia ovat kaksivaiheisia ortogonaalisia vaihesidonnepiirejä. Tämä suorakaide ulkoistettu synkronointimerkki toteutetaan ohjelmoitavalla PLD:llä. Jaetaan kolmiavaiheinen verkon taajuuden suorakaide kuuteen tilaan (kuva 2).

Ilmiselvästi jokaisen tilan välinä on 3.3 ms (jakso 20 ms, 50 Hz). Jos kukin kuusi tulostila kestää 3.3 ms ja pyörii äärettömän monta kertaa positiivisessa järjestyksessä, voidaan tuottaa verkon taajuuden kolmiavaiheinen suorakaidesignaali. Samalla tavalla käsitellään kaksivaiheinen ortogonaalinen signaali ja jaetaan se neljään tilaan (S₇, S₈, S₉, S₁₀). Jokaisen tilan välinä on 5 ms. Jos kukin neljä tulostila kestää 5 ms ja pyörii äärettömän monta kertaa positiivisessa järjestyksessä, voidaan tuottaa verkon taajuuden kaksivaiheinen ortogonaalinen suorakaidesignaali.

MAX038:n vaihesidonnepiirin synkronointimerkki tuottaa Q₂, Q₀, Q₁-signaalit P16R6-ohjelmoitavan kaavakkeen 16#, 14# ja 13#-pinniltä (katso P16R6-datan) kolmen MAX038:n ulkoisiin synkronointimerkkipinneihin. Pin 13#:n ulostulussa on asetettu AND-portti, jota Q₃-signaali ohjaa. Ohjelmien muokkaamisen avulla voidaan saada Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ vastaamaan tietyissä olosuhteissa (tabelissa 2), mikä mahdollistaa kolmi- ja kaksivaiheisen ortogonaalisen suorakaideulkoisen synkronointimerkin tuottamisen.

1.3 Tehonvahvistuksen toteutusperiaate

Yksivaiheinen vahvistuspiiri on suunniteltu Bridge-Tied Load (BTL)-rakenteeseen. Latauksen molemmat päät ovat kytketty kahden vahvistimen ulostulopinnoille. Toisen vahvistimen ulostulo on toisen peiliulostulo. Eli latauksen molempiin päihin ladattavilla signaaleilla on vain 180° vaiheeriyhteys. Latauksella saatu jännite on kaksinkertainen alkuperäisestä yksipäisestä ulostulujännitteestä (kuva 3), mikä täyttää vaatimuksen, että yksivaiheinen ulostulo ei ole vähemmän kuin 100 W.

2 Testilaitteen virranlähteen järjestelmäohjelman testaus
2.1 Ulostulomuodon vinoutusasetukset

Pulssisuhteen asetus: Anna MAX038:n DADJ-pinnille -2.3V ~ +2.3V jännitetä kontrolloima signaali, jolla säädät C_f-kapasitanssin varautumis- ja purkuaikaa. Säädä kolmiohajontaoskillaattorin tuottamaa kolmiohajontaa 10% ~ 90% välillä, ja lopulta luoda vinoutuneet sinimuodot, viistot ja pulssihajonnat. Koska vakiovirtana 250 μA virtaa DADJ-pinnille, kytketään tämän pinin ja viitevirtapinnan REF välille vastus R_d. Tällöin: V_dadj = V_ref - 0.25R_d; R_d:n arvon säätämällä voidaan säätää kolmio- ja viistohajontojen pulssisuhteita ilman, että se vaikuttaa synkronoituihin pulssiulostuloihin, ja R_d ei saa olla suurempi kuin 20 kΩ.

2.2 Ulostulomuodon taajuuden säädö

MAX038:n ulostulotaajuus ohjataan oskillaattorin kapasitanssilla C_f, IIN-virtalla ja FADJ-jännitteellä. Kun C_f on kiinteä, hienosäädös onnistuu IIN-pinnin ohjaamisella. Digitaalisen ohjauksen kannalta DAC:t liitetään IIN- ja FADJ-pinneihin. Nämä tuottavat pieniä jännitteitä, jotka muunnetaan 0-748 μA virtaksi (plus 2 μA verkosta) 2-750 μA IIN:lle, joka luo ulostulutaajuuden alueen. DAC jakaa tämän alueen 256 askelmaiseksi, mikä mahdollistaa kasvoisan säädön IIN-virtan kautta ja hienosäädön DAC:n kautta.

2.3 Tehonvahvistuspiirin jänniteulostuksen säädö

Kolme yksivaihetta tehostelevaa muuntimapiiriä toimii kolmivaiheisena muuntimana samanaikaiseksi signaalin tehostamiseksi (välttää suoraan kolmivaiheisen muuntimen käytön merkittävän vaikutuksen pienisignaaleihin). Jännitteen säädöt 200 V ja 80 V välillä saavutetaan muuntimien säätämällä.

2.4 Jänniteulostuksen säädö DC-toimintapiirissä

DC-jännitteen muuntaminen ja stabiilisointi tarjoaa vakio-DC-virtaa paikan päällä olevasta 220 V vaihtovirtalähteestä. Se tuottaa +35 V ja +5 V (mikä täyttää muuntimien tarkkuusvaatimukset) 7805- ja 7905-DC-virtamoduuleilla.

3 Johtopäätökset

• Suunniteltu virranlähde ominaisuuksineen, kustannustehokkuudella ja korkealla ulostulun tarkkuudella täyttää täysin mittalaitteiden vaatimukset.

• Modulaarinen suunnittelu vähentää monimutkaisuutta, sillä piirit ovat yhteydessä toisiinsa mutta itsenäisiä. Selkeä toiminnallinen jako (sinimuodon tuottaminen, vaihesidonta, tehonvahvistus, DC-toiminta) mahdollistaa jatkuvat päivitykset käyttäjien tarpeisiin mukautumiseksi.

• Ohjaussignaalit Q₀-Q₃ mahdollistavat MCU-yhteensopivuuden ja digitaalisen ohjauksen. Modulaarisen suunnittelun yhdistelmän avulla laite tuottaa kolmi-, kaksi- ja yksivaiheiset sinimuodot sekä suorakaide- ja kolmiohajonnat eri vaihevaatimuksilla, mikä täyttää monipuoliset tehtävät.