Проектирование и отладка высокоточного источника питания для тестеров сигналов с использованием MAX038 и усилителя BTL

1 Проектирование аппаратной части источника питания испытательного стенда

Это устройство использует стандартное устройство для генерации малых сигналов для создания малотоковых сигналов с требуемой частотой и фазовым углом. Затем, через усилительный и фазомодулирующий цепи, создается рабочий источник питания.

1.1 Устройство генерации малотоковых синусоидальных сигналов промышленной частоты

Цепь генерации синусоидального сигнала в основном состоит из микросхемы формирования формы сигнала MAX038, производимой американской компанией MAXIM. В соответствии с требованиями тестирования, этой цепи требуется 3 микросхемы, которые могут генерировать как минимум 3 канала синусоидальных сигналов. MAX038 — это высокочастотный прецизионный функциональный генератор. С помощью простого внешнего контура (см. рисунок 1) и управления выводами A₀ и A₁ (см. таблицу 1) можно генерировать синусоидальные, прямоугольные и треугольные волны.

Регулировка частоты: Когда вывод FADJ находится на нулевом уровне, выходную частоту можно рассчитать по формуле Fₐ = I_IN / C_f (где I_IN= V_ref/ R_in; Fₐ — выходная частота, в МГц; C_f — емкость внешнего контура генератора, в пФ; I_IN — выходной ток вывода I_N, в μА; V_ref — выходное напряжение вывода REF; R_in — входное сопротивление вывода IN).

Регулировка коэффициента заполнения: Изменение напряжения на выводе DADJ изменяет относительные скорости заряда и разряда конденсатора C_f. Когда вывод DADJ находится на нулевом уровне, коэффициент заполнения составляет 50%. При изменении напряжения на выводе DADJ в диапазоне от -2.3 до 2.3 В, коэффициент заполнения изменяется в диапазоне от 85% до 15%. Регулировку коэффициента заполнения можно рассчитать по формуле V_dadj =₋50%- DC×0.0575 (где V_dadj — напряжение на выводе DADJ).

1.2 Реализация однофазного, трехфазного и двухфазного ортогонального выхода малотоковых сигналов

Внутренний детектор фазы MAX038 можно использовать для построения фазово-закрытого контура. Когда трехфазные прямоугольные волны подаются на терминалы PDI трех MAX038, три синусоидальных сигнала, выдаваемые ими, будут трехфазными переменными сигналами. Для однофазного выхода два генератора синусоидальных сигналов можно отключить, и будет работать только третий генератор синусоидальных сигналов.

Нет необходимости подавать сигналы коррекции фазы на PDI. Принцип выхода двухфазных ортогональных сигналов аналогичен принципу трехфазного выхода. Сначала отключите один генератор синусоидальных сигналов, затем подайте два ортогональных прямоугольных сигнала на терминалы PDI оставшихся двух генераторов синусоидальных сигналов. Два синусоидальных сигнала, выдаваемые ими, будут двухфазными ортогональными переменными сигналами. Этот прямоугольный внешний синхронизирующий сигнал реализуется с помощью программируемого ПЛК. Разделите трехфазный сетевой прямоугольный сигнал на 6 состояний (см. рисунок 2).

Очевидно, временная разница между каждым состоянием составляет 3.3 мс (при периоде 20 мс при 50 Гц). Если каждое из 6 выходных состояний длится 3.3 мс и циклически повторяется в положительной последовательности, то можно получить трехфазный сетевой прямоугольный сигнал. Аналогично, обработайте двухфазный ортогональный сигнал, разделив его на 4 состояния (S₇, S₈, S₉, S₁₀). Временная разница между каждым состоянием составляет 5 мс. Если каждое из 4 выходных состояний длится 5 мс и циклически повторяется в положительной последовательности, то можно получить двухфазный ортогональный сетевой прямоугольный сигнал.

Форма фазовой синхронизации MAX038 выдает сигналы Q₂, Q₀, Q₁ с выводов 16#, 14# и 13# программируемой микросхемы P16R6 (см. данные P16R6) на внешние синхронизирующие сигналы PDI трех MAX038. На выходе вывода 13# установлен логический элемент И, управляемый сигналом Q₃. Программируя, чтобы Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ соответствовали определенным условиям (Таблица 2), можно достичь генерации трехфазных и двухфазных ортогональных внешних синхронизирующих сигналов.

1.3 Принцип реализации мощностного усиления

Однофазная усилительная цепь спроектирована как структура мостовой нагрузки (BTL). Оба конца нагрузки подключены к выходным терминалам двух усилителей. Выход одного усилителя является зеркальным выходом другого. То есть, сигналы, подаваемые на оба конца нагрузки, имеют фазовый сдвиг 180°. Напряжение, получаемое на нагрузке, вдвое больше исходного однополярного выходного напряжения (см. рисунок 3), что удовлетворяет требованию, чтобы однофазный выход был не менее 100 Вт.

2 Отладка аппаратной части источника питания испытательного стенда
2.1 Коррекция искажений выходной формы волны

Настройка коэффициента заполнения: Подайте напряжение управления в диапазоне от -2.3 В до +2.3 В на вывод DADJ MAX038, чтобы настроить время заряда и разряда конденсатора C_f. Настройте треугольную волну, генерируемую генератором, в диапазоне от 10% до 90%, и, в конечном итоге, создайте искаженные синусоидальные, пилообразные и импульсные волны. Поскольку постоянный ток 250 μА поступает на вывод DADJ, подключите резистор R_d между этим выводом и выводом REF источника опорного напряжения. Тогда: V_dadj = V_ref - 0.25R_d; регулируя значение R_d, можно настроить коэффициент заполнения треугольных и пилообразных волн, не влияя на синхронизированные импульсные выходы, и R_d не должен превышать 20 кОм.

2.2 Регулировка частоты выходной формы волны

Выходная частота MAX038 контролируется осцилляторным конденсатором C_f, током IIN и напряжением FADJ. При фиксированном C_f тонкая настройка частоты осуществляется путем управления выводом IIN. Для цифрового управления к IIN и FADJ подключены ЦАП. Эти ЦАП генерируют малые напряжения, преобразуемые в ток 0-748 μА (плюс 2 μА от сети) для 2-750 μА на IIN, создавая диапазон выходных частот. ЦАП делит этот диапазон на 256 шагов, позволяя осуществлять грубую настройку с помощью тока IIN и точную настройку с помощью ЦАП.

2.3 Регулировка выходного напряжения усилительной цепи

Три однофазных повышающих трансформаторных цепи функционируют как трехфазный трансформатор для одновременного усиления сигналов (избегая значительного воздействия прямого использования трехфазного трансформатора на малые сигналы). Регулировка напряжения в диапазоне от 200 В до 80 В осуществляется путем регулировки трансформаторов.

2.4 Регулировка напряжения постоянного тока в рабочей цепи

Цепь преобразования и стабилизации постоянного напряжения обеспечивает стабильное питание постоянным током от сетевого напряжения 220 В. Она выдает +35 В и +5 В (соответствующие требованиям точности трансформатора) с использованием модулей питания постоянного тока 7805 и 7905.

3 Заключение

• Спроектированный источник питания обладает четко определенной функциональностью, экономичностью и высокой точностью выхода, полностью удовлетворяя требованиям испытательных приборов.

• Модульное проектирование снижает сложность, с взаимосвязанными, но независимыми цепями. Четкое разделение функций (генерация синусоидальных волн, контроль фаз, усиление мощности, питание постоянным током) позволяет непрерывно обновлять систему, чтобы удовлетворять потребности пользователей.

• Управляющие сигналы Q₀-Q₃ обеспечивают совместимость с МКУ и цифровым управлением. В сочетании с модульным дизайном устройство может выдавать трехфазные, двухфазные ортогональные и одночастотные синусоидальные сигналы, а также прямоугольные и треугольные волны с различными фазовыми требованиями, удовлетворяя разнообразные задачи.