Progettazione e Debug di Alimentazione Elettrica Ad Alta Precisione per Tester di Segnali Utilizzando MAX038 e Amplificazione BTL
1 Progettazione hardware dell'alimentazione del tester
Questo dispositivo utilizza un generatore di segnali standard a piccolo segnale per generare segnali a piccola corrente con la frequenza e l'angolo di fase richiesti. Successivamente, attraverso il circuito amplificatore e il circuito di modulazione di fase, viene generata l'alimentazione di lavoro.
1.1 Dispositivo di generazione di segnali sinusoidali a piccola corrente in frequenza di rete
Il circuito generatore di onde sinusoidali è principalmente composto dal chip MAX038 prodotto dalla MAXIM Corporation degli Stati Uniti. In base ai requisiti di test, questo circuito necessita di 3 chip e può generare almeno 3 canali di segnali sinusoidali. Il MAX038 è un generatore di funzioni ad alta precisione. Costruendo un semplice circuito periferico (vedi Figura 1) e controllando i pin A₀ e A₁ (vedi Tabella 1), è possibile generare onde sinusoidali, rettangolari e triangolari.
Regolazione della frequenza: Quando il pin FADJ è a livello zero, la frequenza di uscita può essere calcolata con la formula Fₐ = IIN / Cf (dove IIN= Vref/ Rin; Fₐ è la frequenza di uscita, in MHz; Cf è la capacità del circuito esterno dell'oscillatore, in pF; IIN è la corrente di uscita del pin IN, in μA; Vref è la tensione di uscita del pin REF; Rin è la resistenza di ingresso del pin IN).
Regolazione del duty cycle: La variazione di tensione sul pin DADJ cambierà i tassi di carica e scarica relativi del condensatore Cf. Quando il pin DADJ è a livello zero, il duty cycle è del 50%. Quando la tensione del pin DADJ varia nell'intervallo -2.3～2.3 V, il duty cycle varia nell'intervallo 85%～15%. La regolazione del duty cycle può essere calcolata con la formula Vdadj =₋50%- DC×0.0575 (dove Vdadj è la tensione sul pin DADJ).
1.2 Realizzazione dell'uscita monofase, trifase e bifase ortogonale dei segnali a piccola corrente
Il rilevatore di fase interno del MAX038 può essere utilizzato per costruire un circuito a loop di fase bloccato. Quando segnali rettangolari trifasi sono inseriti nei terminali PDI di tre MAX038, i tre segnali sinusoidali di uscita saranno segnali alternati trifasi. Per l'uscita di segnali monofase, due generatori di segnali sinusoidali possono essere disattivati, lasciando in funzione solo il terzo generatore di segnali sinusoidali.
Non è necessario inserire segnali di regolazione di fase su PDI. Il principio dell'uscita di segnali bifasi ortogonali è coerente con quello dell'uscita trifase. Prima, si disattiva un generatore di segnali sinusoidali, quindi si applicano due segnali rettangolari ortogonali rispettivamente ai terminali PDI dei due generatori di segnali sinusoidali rimanenti. I due segnali sinusoidali di uscita saranno segnali alternati bifasi ortogonali. Questo segnale di sincronizzazione rettangolare esterno è implementato da un PLD programmabile. Si divide il segnale quadro trifase in 6 stati (vedi Figura 2).
Ovviamente, la differenza temporale tra ciascuno stato è di 3.3 ms (con un periodo di 20 ms a 50 Hz). Basta che ciascuno dei 6 stati di uscita duri 3.3 ms e si cicli infinitamente in sequenza positiva, per ottenere l'uscita del segnale quadro trifase in frequenza di rete. Analogamente, si elabora il segnale bifase ortogonale e lo si divide in 4 stati (S₇, S₈, S₉, S₁₀). La differenza temporale tra ciascuno stato è di 5 ms. Basta che ciascuno dei 4 stati di uscita duri 5 ms e si cicli infinitamente in sequenza positiva, per ottenere l'uscita del segnale quadro bifase ortogonale in frequenza di rete.
La forma d'onda di controllo di sincronizzazione di fase del MAX038 emette i segnali Q₂, Q₀, Q₁ dai pin 16#, 14# e 13# del chip programmabile P16R6 (fare riferimento ai dati del P16R6) ai terminali di segnale di sincronizzazione esterna PDI di tre MAX038. Viene impostata una porta AND all'uscita del pin 13#, controllata dal segnale Q₃. Modificando il programma in modo che Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ soddisfino determinate condizioni (Tabella 2), si può realizzare la generazione di segnali di sincronizzazione esterna rettangolare trifase e bifase ortogonale.
1.3 Principio di realizzazione dell'amplificazione di potenza
Il circuito di amplificazione monofase è progettato con una struttura Bridge-Tied Load (BTL). Le due estremità del carico sono rispettivamente connesse ai terminali di uscita di due amplificatori. L'uscita di un amplificatore è l'uscita speculare dell'altro. Ciò significa che i segnali caricati sulle due estremità del carico hanno solo una differenza di fase di 180°. La tensione ottenuta sul carico è il doppio della tensione di uscita singola originale (vedi Figura 3), soddisfacendo il requisito che l'uscita monofase non sia inferiore a 100 W.
2 Debugging dell'alimentazione hardware del tester
2.1 Regolazione della distorsione della forma d'onda di uscita
Impostazione del duty cycle: Applicare un segnale di controllo di tensione compreso tra -2.3V e +2.3V al terminale DADJ del MAX038 per regolare il tempo di carica e scarica del condensatore Cf. Regolare l'onda triangolare generata dall'oscillatore nell'intervallo 10% - 90%, e infine generare onde sinusoidali, dentate e impulsive distorte. Poiché una corrente costante di 250 μA fluisce nel terminale DADJ, collegare una resistenza Rd tra questo terminale e il pin di alimentazione di riferimento REF. Quindi: Vdadj = Vref - 0.25Rd; Regolare il valore di Rd permette di regolare il duty cycle delle onde triangolari e dentate senza influire sugli impulsi di uscita sincronizzati, e Rd non dovrebbe superare i 20 kΩ.
2.2 Regolazione della frequenza della forma d'onda di uscita
La frequenza di uscita del MAX038 è controllata dal condensatore oscillante Cf, dalla corrente IIN e dalla tensione FADJ. Con un Cf fisso, la regolazione fine della frequenza è ottenuta controllando il pin IIN. Per il controllo digitale, vengono collegati DAC a IIN e FADJ. Questi generano piccole tensioni, convertite in una corrente da 0 a 748 μA (più 2 μA dalla rete) per 2-750 μA a IIN, creando l'intervallo di frequenza di uscita. Il DAC suddivide questo intervallo in 256 passaggi, consentendo una regolazione grossolana tramite la corrente IIN e una regolazione fine tramite il DAC.
2.3 Regolazione della tensione di uscita del circuito di amplificazione di potenza
I tre circuiti di trasformatore elevatore monofase funzionano come un trasformatore trifase per il contemporaneo aumento del segnale (evitando l'impatto significativo sull'uso diretto del trasformatore trifase sui piccoli segnali). Le regolazioni di tensione tra 200 V e 80 V sono ottenute regolando i trasformatori.
2.4 Regolazione della tensione del circuito di alimentazione continua
Un circuito di trasformazione e stabilizzazione della tensione continua fornisce alimentazione continua stabile dalla rete AC a 220 V. Utilizza moduli di alimentazione continua 7805 e 7905 per fornire +35 V e +5 V (soddisfacendo i requisiti di precisione del trasformatore).
3 Conclusione
L'alimentazione progettata presenta funzionalità chiare, costo-ef-ficacia ed elevata precisione di uscita, soddisfacendo pienamente i requisiti degli strumenti di test.
Il design modulare riduce la complessità, con circuiti interconnessi ma indipendenti. La chiara divisione funzionale (generazione di onda sinusoidale, controllo di fase, amplificazione di potenza, alimentazione continua) consente aggiornamenti continui per soddisfare le esigenze degli utenti.
I segnali di controllo Q0-Q3 abilitano la compatibilità con MCU e il controllo digitale. Combinato con il design modulare, il dispositivo genera segnali sinusoidali monofrequenza, trifase e bifase ortogonale, oltre a onde quadrate e triangolari con vari requisiti di fase, soddisfacendo compiti diversi.
