Deseño e depuración de alimentación de alta precisión para probadores de señales utilizando MAX038 e amplificación BTL

1 Deseño do Hardware do Alimentador de Proba

Este dispositivo emprega unha ferramenta estándar xeradora de pequenas señales para xerar señales de corrente pequena coa frecuencia e o ángulo de fase necesarios. Despois, a través do circuito amplificador e do circuito modulador de fase, xérase a alimentación de traballo.

1.1 Dispositivo Xerador de Señal de Corrente Pequena de Onda Senoidal de Frecuencia de Rede

O circuito xerador de onda senoidal está composto principalmente polo chip xerador de formas de onda MAX038 producido pola corporación MAXIM dos Estados Unidos. Segundo os requisitos de proba, este circuito necesita 3 chips e pode xerar ao menos 3 canles de señales senoidais. O MAX038 é un xerador de función de alta precisión. Construíndo un simple circuito periférico (ver Figura 1) e controlando os pines A₀ e A₁ (ver Táboa 1), poden xerarse ondas senoidais, rectangulares e triangulares.

Ajuste da frecuencia: Cando o pin FADJ está a nivel cero, a frecuencia de saída pode calcularse mediante a fórmula Fₐ = I_IN / C_f (onde I_IN= V_ref/ R_in; Fₐ é a frecuencia de saída, en MHz; C_f é a capacitancia do circuito externo do oscilador, en pF; I_IN é a corrente de saída do pin I_N, en μA; V_ref é o voltaxe de saída do pin REF; R_in é a resistencia de entrada do pin IN).

Ajuste do ciclo de traballo: O cambio de voltaxe no pin DADJ cambiará as taxas relativas de carga e descarga do condensador C_f. Cando o pin DADJ está a nivel cero, o ciclo de traballo é 50%. Cando o voltaxe do pin DADJ cambia no rango de -2.3～2.3 V, o ciclo de traballo cambia no rango de 85%～15%. O ajuste do ciclo de traballo pode calcularse mediante a fórmula V_dadj =₋50%- DC×0.0575 (onde V_dadj é o voltaxe no pin DADJ).

1.2 Realización da Saída Ortogonal de Unha Fase, Três Fases e Dúas Fases de Señales de Corrente Pequena

O detector de fase dentro do MAX038 pode usarse para construir un circuito de lazo bloqueado de fase. Cando se introducen señales de onda rectangular de tres fases nos terminais PDI de tres MAX038, as tres señales de onda senoidal que eles xeran serán señales de corrente alternada de tres fases. Para a saída de sinal de unha fase, dous xeradores de sinais de onda senoidal poden desactivarse, e só traballará o terceiro xerador de onda senoidal.

Non é necesario introducir señales de axuste de fase aos PDI. O principio da saída de sinal ortogonal de dúas fases é consistente coa saída de tres fases. Primeiro, desactívase un xerador de sinal de onda senoidal, e despois aplícanse dúas señales de onda rectangular ortogonais aos terminais PDI dos dous xeradores de sinais de onda senoidal restantes. As dúas señales de onda senoidal que eles xeran serán señales de corrente alternada ortogonais de dúas fases. Este sinal de sincronización rectangular externo implementase mediante un PLD programable. Divide o sinal de onda cuadrada trifásica de frecuencia de rede en 6 estados (ver Figura 2).

Obviamente, a diferenza de tempo entre cada estado é 3.3 ms (con un período de 20 ms a 50 Hz). Mentres que os 6 estados de saída duren 3.3 ms e cicle infinitamente na secuencia positiva, pode xerarse o sinal de onda cuadrada trifásica de frecuencia de rede. De maneira similar, procesa o sinal ortogonal de dúas fases e divídese en 4 estados (S₇, S₈, S₉, S₁₀). A diferenza de tempo entre cada estado é 5 ms. Mentres que os 4 estados de saída duren 5 ms e cicle infinitamente na secuencia positiva, pode xerarse o sinal de onda cuadrada ortogonal de dúas fases de frecuencia de rede.

O sinal de onda de control de sincronización de fase do MAX038 emite señales Q₂, Q₀, Q₁ desde os pines 16#, 14# e 13# do chip programable P16R6 (consultar os datos do P16R6) aos terminais de sinal de sincronización externa PDI de tres MAX038. Colócase unha porta AND na saída do pin 13#, controlada polo sinal Q₃. Editando o programa para que Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ cumpran condicións específicas (Táboa 2), pódese lograr a xeración de señales de sincronización externa rectangular ortogonal de tres fases e dúas fases.

1.3 Principio de Implementación da Amplificación de Potencia

O circuito de amplificación de unha fase está deseñado con unha estrutura de Carga Ligada a Ponte (BTL). Os dous extremos da carga están conectados respectivamente aos terminais de saída de dous amplificadores. A saída dun amplificador é a saída especular do outro. Iso é, as señales cargadas nos dous extremos da carga só teñen unha diferenza de fase de 180°. O voltaxe obtido na carga é o dobre do voltaxe de saída monoextremo orixinal (ver Figura 3), satisfacendo o requisito de que a saída de unha fase non sexa inferior a 100 W.

2 Depuración do Hardware do Alimentador de Proba
2.1 Axuste da Distorsión da Forma de Onda de Saída

Axuste do ciclo de traballo: Aplica un sinal de control de voltaxe que varía de -2.3V a +2.3V ao terminal DADJ do MAX038 para axustar o tempo de carga e descarga do condensador C_f. Axusta a onda triangular xerada polo oscilador no rango do 10% - 90%, e finalmente xéranse ondas senoidais distorsionadas, ondas denteadas e ondas de pulso. Como unha corrente constante de 250 μA fluye ao terminal DADJ, conecta un resistor R_d entre este terminal e o pin de alimentación de referencia REF. Entón: V_dadj = V_ref - 0.25R_d; Axustando o valor de R_d pode axustarse o ciclo de traballo de ondas triangulares e denteadas sen afectar os pulsos de saída sincronizados, e R_d non debe ser maior de 20 kΩ.

2.2 Axuste da Frecuencia da Forma de Onda de Saída

A frecuencia de saída do MAX038 está controlada polo condensador de oscilación C_f, a corrente IIN e o voltaxe FADJ. Con un C_f fixo, o afinamento fino da frecuencia lograse controlando o pin IIN. Para o control dixital, DACs están conectados a IIN e FADJ. Estes xeran pequenos voltaxes, convertidos a 0-748 μA de corrente (máis 2 μA da rede) para 2-750 μA en IIN, creando o rango de frecuencia de saída. O DAC divide este rango en 256 pasos, permitindo o axuste groso a través da corrente IIN e o afinamento fino a través do DAC.

2.3 Axuste do Voltaxe de Saída do Circuito de Amplificación de Potencia

Os tres circuitos de transformador de subida de tensión monofásicos funcionan como un transformador trifásico para o reforzamento simultáneo das señales (evitando o impacto significativo do uso directo de un transformador trifásico nas pequenas señales). Os axustes de voltaxe entre 200 V e 80 V logranse regulando os transformadores.

2.4 Axuste do Voltaxe do Circuito de Traballo CC

Un circuito de transformación e estabilización de voltaxe CC proporciona alimentación CC estable a partir da alimentación CA de 220 V no local. Produce +35 V e +5 V (cumprindo os requisitos de precisión do transformador) usando módulos de alimentación CC 7805 e 7905.

3 Conclusión

• O alimentador deseñado ten unha funcionalidade clara, un custo eficaz e unha alta precisión de saída, satisfacendo completamente os requisitos dos instrumentos de proba.

• O deseño modular reduce a complexidade, cos circuitos interconectados pero independentes. A división clara da funcionalidade (xeración de onda senoidal, control de fase, amplificación de potencia, alimentación CC) permite actualizaciones continuas para atender as necesidades dos usuarios.

• As señales de control Q₀-Q₃ permiten a compatibilidade con MCU e o control dixital. Combinado co deseño modular, o dispositivo produce señales senoidais de frecuencia única, trífase e dúas fases ortogonais, así como ondas rectangulares/triangulares con varios requisitos de fase, satisfacendo tarefas diversas.