Projeto e Depuração de Fonte de Alimentação de Alta Precisão para Testadores de Sinal Usando MAX038 e Amplificação BTL

1 Projeto de Hardware da Fonte de Alimentação do Testador

Este dispositivo utiliza um gerador de sinais de pequena amplitude padrão para gerar sinais de corrente pequena com a frequência e ângulo de fase necessários. Em seguida, através do circuito amplificador e do circuito modulador de fase, a fonte de alimentação de trabalho é gerada.

1.1 Dispositivo Gerador de Sinais de Corrente Pequena em Onda Senoidal de Frequência Industrial

O circuito gerador de onda senoidal é composto principalmente pelo chip gerador de formas de onda MAX038 produzido pela MAXIM Corporation dos Estados Unidos. De acordo com os requisitos de teste, este circuito precisa de 3 chips e pode gerar pelo menos 3 canais de sinais senoidais. O MAX038 é um gerador de funções de alta precisão. Ao construir um circuito periférico simples (ver Figura 1) e controlando as pinos A₀ e A₁ (ver Tabela 1), podem ser geradas ondas senoidais, retangulares e triangulares.

Ajuste de frequência: Quando o pino FADJ está em nível zero, a frequência de saída pode ser calculada pela fórmula Fₐ = I_IN / C_f(onde I_IN= V_ref/ R_in; Fₐ é a frequência de saída, em MHz; C_f é a capacitância do circuito externo do oscilador, em pF; I_IN é a corrente de saída do pino I_N, em μA; V_ref é a tensão de saída do pino REF; R_in é a resistência de entrada do pino IN).

Ajuste do ciclo de trabalho: A variação de tensão no pino DADJ alterará as taxas relativas de carga e descarga do capacitor C_f. Quando o pino DADJ está em nível zero, o ciclo de trabalho é de 50%. Quando a tensão no pino DADJ varia na faixa de -2,3 a 2,3 V, o ciclo de trabalho varia na faixa de 85% a 15%. O ajuste do ciclo de trabalho pode ser calculado pela fórmula V_dadj =₋50%- DC×0,0575 (onde V_dadj é a tensão no pino DADJ).

1.2 Realização da Saída de Sinais de Corrente Pequena Monofásica, Trifásica e Bifásica Ortogonal

O detector de fase interno do MAX038 pode ser usado para construir um circuito de loop de fase fechado. Quando sinais de onda quadrada trifásicos são aplicados aos terminais PDI de três MAX038, os três sinais senoidais de saída por eles serão sinais de CA trifásicos. Para a saída de sinal monofásico, dois geradores de sinais senoidais podem ser desligados, e apenas o terceiro gerador de onda senoidal funciona.

Não é necessário aplicar sinais de ajuste de fase ao PDI. O princípio da saída de sinais bifásicos ortogonais é consistente com a saída trifásica. Primeiro, desligue um gerador de sinal senoidal, e então aplique dois sinais de onda quadrada ortogonais aos terminais PDI dos dois geradores de sinais senoidais restantes. Os dois sinais senoidais de saída por eles serão sinais de CA bifásicos ortogonais. Este sinal de sincronização externa retangular é implementado por um PLD programável. Divida o sinal de onda quadrada trifásica de frequência industrial em 6 estados (ver Figura 2).

Obviamente, a diferença de tempo entre cada estado é de 3,3 ms (com um período de 20 ms a 50 Hz). Enquanto os 6 estados de saída durarem 3,3 ms e se ciclem infinitamente na sequência positiva, o sinal de onda quadrada trifásica de frequência industrial pode ser gerado. Da mesma forma, processe o sinal bifásico ortogonal e divida-o em 4 estados (S₇, S₈, S₉, S₁₀). A diferença de tempo entre cada estado é de 5 ms. Enquanto os 4 estados de saída durarem 5 ms e se ciclem infinitamente na sequência positiva, o sinal de onda quadrada bifásica ortogonal de frequência industrial pode ser gerado.

O sinal de controle de sincronização de fase do MAX038 gera sinais Q₂, Q₀, Q₁ dos pinos 16#, 14# e 13# do chip programável P16R6 (consulte os dados do P16R6) para os terminais de sinal de sincronização externa PDI de três MAX038. Uma porta AND é configurada na saída do pino 13#, controlada pelo sinal Q₃. Editando o programa para que Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ atendam a condições específicas (Tabela 2), a geração de sinais de sincronização externa retangular trifásica e bifásica ortogonal pode ser alcançada.

1.3 Princípio de Implementação da Amplificação de Potência

O circuito de amplificação monofásica é projetado como uma estrutura Bridge-Tied Load (BTL). As duas extremidades da carga estão conectadas aos terminais de saída de dois amplificadores. A saída de um amplificador é a saída espelhada do outro. Ou seja, os sinais carregados nas duas extremidades da carga têm apenas uma diferença de fase de 180°. A tensão obtida na carga é o dobro da tensão de saída original unipolar (ver Figura 3), atendendo ao requisito de que a saída monofásica não seja inferior a 100 W.

2 Depuração do Hardware da Fonte de Alimentação do Testador
2.1 Ajuste de Distorção da Forma de Onda de Saída

Configuração do ciclo de trabalho: Aplicar um sinal de controle de tensão variando de -2,3V a +2,3V ao terminal DADJ do MAX038 para ajustar o tempo de carga e descarga do capacitor C_f. Ajustar a onda triangular gerada pelo oscilador na faixa de 10% a 90%, e finalmente gerar ondas senoidais, serrilhadas e pulsadas distorcidas. Como uma corrente constante de 250 μA flui para o terminal DADJ, conectar um resistor R_d entre este terminal e o pino de suprimento de referência REF. Então: V_dadj = V_ref - 0,25R_d; Ajustando o valor de R_d pode-se ajustar o ciclo de trabalho das ondas triangulares e serrilhadas sem afetar os pulsos de saída síncronos, e R_d não deve ser maior que 20 kΩ.

2.2 Ajuste de Frequência da Forma de Onda de Saída

A frequência de saída do MAX038 é controlada pelo capacitor de oscilação C_f, corrente IIN e tensão FADJ. Com um C_f fixo, o ajuste fino da frequência é realizado controlando o pino IIN. Para o controle digital, DACs são conectados ao IIN e FADJ. Estes geram pequenas tensões, convertidas em corrente de 0-748 μA (mais 2 μA da rede) para 2-750 μA no IIN, criando a faixa de frequência de saída. O DAC divide essa faixa em 256 passos, permitindo o ajuste grosseiro via corrente IIN e o ajuste fino através do DAC.

2.3 Ajuste de Tensão de Saída do Circuito de Amplificação de Potência

Os três circuitos de transformador de elevação monofásico funcionam como um transformador trifásico para o aumento simultâneo de sinais (evitando o impacto significativo do uso direto de um transformador trifásico em sinais pequenos). Ajustes de tensão entre 200 V e 80 V são realizados regulando os transformadores.

2.4 Ajuste de Tensão do Circuito de Alimentação CC

Um circuito de transformação e estabilização de tensão CC fornece energia CC estável a partir da alimentação CA de 220 V no local. Ele fornece +35 V e +5 V (atendendo aos requisitos de precisão do transformador) usando módulos de alimentação CC 7805 e 7905.

3 Conclusão

• A fonte de alimentação projetada possui funcionalidade clara, custo-benefício e alta precisão de saída, atendendo plenamente às exigências dos instrumentos de teste.

• O design modular reduz a complexidade, com circuitos interconectados e independentes. A divisão funcional clara (geração de onda senoidal, controle de fase, amplificação de potência, fornecimento CC) permite atualizações contínuas para atender às necessidades do usuário.

• Os sinais de controle Q₀-Q₃ permitem compatibilidade com MCU e controle digital. Combinado com o design modular, o dispositivo gera sinais senoidais de frequência única, trifásicos e bifásicos ortogonais, além de ondas quadradas e triangulares com diversas exigências de fase, satisfazendo tarefas diversificadas.