Projektowanie i debugowanie wysokiej precyzji zasilacza dla testerów sygnałów wykorzystującego MAX038 i wzmacnianie BTL

1 Projektowanie sprzętowe zasilacza testowego

To urządzenie wykorzystuje standardowe urządzenie generujące sygnały małej amplitudy do generowania sygnałów o niewielkiej wartości prądu o wymaganej częstotliwości i kącie fazowym. Następnie, poprzez obwód wzmacniający i modulujący fazę, generowany jest zasilacz roboczy.

1.1 Urządzenie generujące małoprądowe sygnały sinusoidalne o częstotliwości sieciowej

Obwód generujący sygnał sinusoidalny składa się głównie z układu MAX038 produkowanego przez firmę MAXIM Corporation w Stanach Zjednoczonych. Zgodnie z wymaganiami testów, ten obwód wymaga 3 układów i może generować co najmniej 3-kanałowe sygnały sinusoidalne. MAX038 to wysokoczęstotliwościowy precyzyjny generator funkcji. Poprzez budowę prostego obwodu zewnętrznych (patrz Rysunek 1) i kontrolę pinów A₀ i A₁ (patrz Tabela 1), można generować fale sinusoidalne, prostokątne i trójkątne.

Regulacja częstotliwości: Gdy pin FADJ jest na poziomie zero, częstotliwość wyjściową można obliczyć za pomocą wzoru Fₐ = I_IN / C_f (gdzie I_IN= V_ref/ R_in; Fₐ to częstotliwość wyjściowa, w MHz; C_f to pojemność obwodu zewnętrznego oscylatora, w pF; I_IN to prąd wyjściowy pina I_N, w μA; V_ref to napięcie wyjściowe pina REF; R_in to opór wejściowy pina IN).

Regulacja współczynnika wypełnienia: Zmiana napięcia na pinie DADJ zmieni względne stany ładowania i rozładowania kondensatora C_f. Gdy pin DADJ jest na poziomie zero, współczynnik wypełnienia wynosi 50%. Gdy napięcie na pinie DADJ zmienia się w zakresie -2.3～2.3 V, współczynnik wypełnienia zmienia się w zakresie 85%～15%. Regulację współczynnika wypełnienia można obliczyć za pomocą wzoru V_dadj =₋50%- DC×0.0575 (gdzie V_dadj to napięcie na pinie DADJ).

1.2 Realizacja jednofazowego, trójfazowego i dwufazowego ortogonalnego wyjścia sygnałów małoprądowych

Detektor fazy wewnątrz MAX038 może być użyty do konstrukcji obwodu fazowego. Gdy sygnały prostokątne trójfazowe są podawane do terminali PDI trzech MAX038, sygnały sinusoidalne wyjściowe będą sygnałami AC trójfazowymi. Dla wyjścia jednofazowego, dwa generatory sygnałów sinusoidalnych mogą być wyłączone, a działa tylko trzeci generator sygnałów sinusoidalnych.

Nie ma potrzeby wprowadzania sygnałów regulacji fazy do PDI. Zasada wyjścia sygnałów dwufazowych ortogonalnych jest zgodna z zasadą wyjścia trójfazowego. Najpierw należy wyłączyć jeden generator sygnałów sinusoidalnych, a następnie zastosować dwa sygnały prostokątne ortogonalne do terminali PDI dwóch pozostałych generatorów sygnałów sinusoidalnych. Sygnały sinusoidalne wyjściowe będą sygnałami AC dwufazowymi ortogonalnymi. Ten synchroniczny zewnętrzny sygnał prostokątny jest realizowany przez programowalny PLD. Trójfazowy sygnał kwadratowy częstotliwości sieciowej dzielony jest na 6 stanów (patrz Rysunek 2).

Oczywiście, różnica czasu między każdym stanem wynosi 3.3 ms (z okresem 20 ms przy 50 Hz). O ile 6 stanów wyjściowych trwa każdy 3.3 ms i cykluje nieskończenie w sekwencji dodatniej, można uzyskać trójfazowy sygnał kwadratowy częstotliwości sieciowej. Podobnie, przetwarzając sygnał dwufazowy ortogonalny, dzieli go na 4 stany (S₇, S₈, S₉, S₁₀). Różnica czasu między każdym stanem wynosi 5 ms. O ile 4 stany wyjściowe trwają każdy 5 ms i cykluje nieskończenie w sekwencji dodatniej, można uzyskać dwufazowy sygnał kwadratowy częstotliwości sieciowej ortogonalny.

Fala sterująca synchronizacją fazy MAX038 wydaje sygnały Q₂, Q₀, Q₁ z pinów 16#, 14# i 13# programowalnego układu P16R6 (patrz dane P16R6) do terminali synchronizacji zewnętrznej PDI trzech MAX038. Ustawiono bramkę AND na wyjściu pina 13#, sterowaną sygnałem Q₃. Poprzez edycję programu, aby Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ spełniały określone warunki (Tabela 2), można osiągnąć generowanie trójfazowych i dwufazowych ortogonalnych sygnałów synchronizacji zewnętrznej prostokątnych.

1.3 Zasada realizacji wzmacniania mocy

Obwód wzmacniający jednofazowy zaprojektowany jest jako struktura Bridge-Tied Load (BTL). Dwa końce obciążenia są odpowiednio podłączone do wyjść dwóch wzmacniaczy. Wyjście jednego wzmacniacza jest lustrzanym wyjściem drugiego. To oznacza, że sygnały na obu końcach obciążenia mają różnicę fazy 180°. Napięcie uzyskane na obciążeniu jest dwukrotnie większe niż pierwotne napięcie wyjściowe jednostronne (patrz Rysunek 3), spełniając wymóg, aby wyjście jednofazowe nie było mniejsze niż 100 W.

2 Debugowanie sprzętu zasilacza testowego
2.1 Regulacja zniekształcenia kształtu wyjściowego

Ustawienie współczynnika wypełnienia: Zastosuj sygnał sterujący napięciem w zakresie od -2.3V do +2.3V do terminala DADJ MAX038, aby dostosować czas ładowania i rozładowania kondensatora C_f. Dostosuj fale trójkątne generowane przez oscylator w zakresie 10% - 90%, a na końcu wygeneruj zniekształcone fale sinusoidalne, piłokształtne i impulsowe. Ponieważ stałe natężenie prądu 250 μA płynie do terminala DADJ, podłącz rezystor R_d między tym terminalem a pinem zasilania odniesienia REF. Wtedy: V_dadj = V_ref - 0.25R_d; Dostosowując wartość R_d można dostosować współczynnik wypełnienia fal trójkątnych i piłokształtnych bez wpływu na synchroniczne wyjście impulsów, a R_d nie powinien być większy niż 20 kΩ.

2.2 Regulacja częstotliwości kształtu wyjściowego

Częstotliwość wyjściowa MAX038 jest kontrolowana przez kondensator oscylacyjny C_f, prąd IIN i napięcie FADJ. Przy stałym C_f, dokładna regulacja częstotliwości jest osiągana przez kontrolę pina IIN. Dla sterowania cyfrowego, DAC są podłączone do IIN i FADJ. Te generują małe napięcia, przekształcane w prąd 0-748 μA (plus 2 μA z sieci) dla 2-750 μA na IIN, tworząc zakres częstotliwości wyjściowej. DAC dzieli ten zakres na 256 kroków, umożliwiając grube dostosowanie przez prąd IIN i dokładne dostosowanie przez DAC.

2.3 Regulacja napięcia wyjściowego obwodu wzmacniającego mocy

Trzy jednofazowe obwody transformatorów wzmacniających działają jako transformator trójfazowy do jednoczesnego wzmacniania sygnałów (unikając znacznego wpływu bezpośredniego użycia transformatora trójfazowego na małe sygnały). Regulacja napięcia w zakresie od 200 V do 80 V jest osiągana poprzez regulację transformatorów.

2.4 Regulacja napięcia obwodu pracy DC

Obwód transformacji i stabilizacji napięcia DC dostarcza stabilne zasilanie DC z lokalnego zasilania AC 220 V. Wyjście +35 V i +5 V (spełniające wymagania precyzji transformatora) jest uzyskiwane za pomocą modułów zasilania DC 7805 i 7905.

3 Podsumowanie

• Zaprojektowane zasilanie cechuje się jasnymi funkcjami, kosztownością i wysoką precyzją wyjścia, całkowicie spełniając wymagania instrumentów testowych.

• Modularny design redukuje złożoność, z obwodami wzajemnie połączonymi, ale niezależnymi. Jasne podział funkcji (generowanie fal sinusoidalnych, kontrola fazy, wzmacnianie mocy, zasilanie DC) pozwala na ciągłe uaktualnienia, aby spełnić potrzeby użytkowników.

• Sygnały sterujące Q₀-Q₃ umożliwiają kompatybilność z MCU i sterowanie cyfrowe. Połączone z modularnym designem, urządzenie wydaje sygnały sinusoidalne trójfazowe, dwufazowe ortogonalne i jednokrotności, plus fale prostokątne/trójkątne z różnymi wymaganiami fazowymi, spełniając różne zadania.