Thiết kế và Gỡ lỗi Nguồn Điện Cao Độ Chính Xác cho Máy Kiểm Tra Tín Hiệu Sử dụng MAX038 và Khuếch Đại BTL

1 Thiết kế phần cứng của nguồn cung cấp cho thiết bị kiểm tra

Thiết bị này sử dụng thiết bị tạo tín hiệu nhỏ tiêu chuẩn để tạo ra tín hiệu dòng điện nhỏ với tần số và góc pha yêu cầu. Sau đó, thông qua mạch khuếch đại và mạch điều chế pha, nguồn làm việc được tạo ra.

1.1 Thiết bị tạo tín hiệu dòng điện nhỏ dạng sóng sin tần số lưới

Mạch tạo sóng sin chủ yếu bao gồm chip tạo dạng sóng MAX038 do Công ty MAXIM của Hoa Kỳ sản xuất. Theo yêu cầu kiểm tra, mạch này cần 3 chip và có thể tạo ra ít nhất 3 kênh tín hiệu sóng sin. MAX038 là một bộ tạo hàm chính xác tần số cao. Bằng cách xây dựng một mạch ngoại vi đơn giản (xem Hình 1) và điều khiển các chân A₀ và A₁ (xem Bảng 1), có thể tạo ra sóng sin, sóng vuông và sóng tam giác.

Điều chỉnh tần số: Khi chân FADJ ở mức zero, tần số đầu ra có thể được tính bằng công thức Fₐ = I_IN / C_f (trong đó I_IN= V_ref/ R_in; Fₐ là tần số đầu ra, trong MHz; C_f là điện dung mạch ngoại vi của dao động, trong pF; I_IN là dòng điện đầu ra của chân I_N, trong μA; V_ref là điện áp đầu ra của chân REF; R_in là điện trở đầu vào của chân IN).

Điều chỉnh chu kỳ hoạt động: Sự thay đổi điện áp của chân DADJ sẽ thay đổi tỷ lệ nạp và xả tương đối của tụ điện C_f. Khi chân DADJ ở mức zero, chu kỳ hoạt động là 50%. Khi điện áp của chân DADJ thay đổi trong khoảng -2.3～2.3 V, chu kỳ hoạt động thay đổi trong khoảng 85%～15%. Điều chỉnh chu kỳ hoạt động có thể được tính bằng công thức V_dadj =₋50%- DC×0.0575 (trong đó V_dadj là điện áp trên chân DADJ).

1.2 Hiện thực hóa đầu ra một pha, ba pha và hai pha trực giao của tín hiệu dòng điện nhỏ

Bộ phát hiện pha bên trong MAX038 có thể được sử dụng để xây dựng mạch khóa pha. Khi tín hiệu sóng vuông ba pha được đưa vào các đầu PDI của ba MAX038, ba tín hiệu sóng sin mà chúng tạo ra sẽ là tín hiệu AC ba pha. Đối với đầu ra tín hiệu một pha, hai bộ tạo tín hiệu sóng sin có thể được tắt, chỉ có bộ tạo tín hiệu sóng sin thứ ba hoạt động.

Không cần phải đưa tín hiệu điều chỉnh pha vào PDI. Nguyên tắc đầu ra tín hiệu hai pha trực giao là giống như đầu ra ba pha. Đầu tiên, tắt một bộ tạo tín hiệu sóng sin, sau đó áp dụng hai tín hiệu sóng vuông trực giao vào các đầu PDI của hai bộ tạo tín hiệu sóng sin còn lại. Hai tín hiệu sóng sin mà chúng tạo ra sẽ là tín hiệu AC hai pha trực giao. Tín hiệu đồng bộ hóa ngoài hình chữ nhật này được thực hiện bởi PLD lập trình được. Chia tín hiệu sóng vuông ba pha tần số lưới thành 6 trạng thái (xem Hình 2).

Rõ ràng, thời gian giữa mỗi trạng thái là 3.3 ms (với chu kỳ 20 ms ở 50 Hz). Chỉ cần 6 trạng thái đầu ra mỗi trạng thái kéo dài 3.3 ms và lặp đi lặp lại vô tận theo trình tự dương, tín hiệu sóng vuông ba pha tần số lưới có thể được tạo ra. Tương tự, xử lý tín hiệu hai pha trực giao và chia thành 4 trạng thái (S₇, S₈, S₉, S₁₀). Thời gian giữa mỗi trạng thái là 5 ms. Chỉ cần 4 trạng thái đầu ra mỗi trạng thái kéo dài 5 ms và lặp đi lặp lại vô tận theo trình tự dương, tín hiệu sóng vuông hai pha trực giao tần số lưới có thể được tạo ra.

Điều khiển đồng bộ hóa pha của MAX038 đưa ra tín hiệu Q₂, Q₀, Q₁ từ chân 16#, 14# và 13# của chip lập trình P16R6 (tham khảo dữ liệu P16R6) đến các đầu PDI tín hiệu đồng bộ hóa ngoài của ba MAX038. Một cổng AND được đặt tại đầu ra của chân 13#, được điều khiển bởi tín hiệu Q₃. Bằng cách chỉnh sửa chương trình để Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ thỏa mãn các điều kiện cụ thể (Bảng 2), có thể tạo ra tín hiệu đồng bộ hóa ngoài hình chữ nhật ba pha và hai pha trực giao

1.3 Nguyên tắc thực hiện khuếch đại công suất

Mạch khuếch đại một pha được thiết kế theo cấu trúc Bridge-Tied Load (BTL). Hai đầu tải được kết nối với các đầu ra của hai bộ khuếch đại. Đầu ra của một bộ khuếch đại là đầu ra phản chiếu của bộ khuếch đại kia. Đó là, các tín hiệu tải lên hai đầu tải chỉ có sự khác biệt về pha là 180°. Điện áp thu được trên tải là gấp đôi điện áp đầu ra đơn cực ban đầu (xem Hình 3), đáp ứng yêu cầu rằng đầu ra một pha không nhỏ hơn 100 W.

2 Điều chỉnh phần cứng nguồn cung cấp cho thiết bị kiểm tra
2.1 Điều chỉnh méo dạng sóng đầu ra

Đặt chu kỳ hoạt động: Áp dụng tín hiệu điều khiển điện áp từ -2.3V đến +2.3V vào đầu DADJ của MAX038 để điều chỉnh thời gian nạp và xả của tụ điện C_f. Điều chỉnh tín hiệu tam giác do dao động tạo ra trong phạm vi 10% - 90%, cuối cùng tạo ra sóng sin méo, sóng răng cưa và sóng xung. Vì dòng điện 250 μA liên tục chảy vào đầu DADJ, hãy kết nối một điện trở R_d giữa đầu này và chân nguồn tham chiếu REF. Sau đó: V_dadj = V_ref - 0.25R_d; Điều chỉnh giá trị của R_d có thể điều chỉnh chu kỳ hoạt động của sóng tam giác và sóng răng cưa mà không ảnh hưởng đến xung đồng bộ hóa đầu ra, và R_d không nên lớn hơn 20 kΩ.

2.2 Điều chỉnh tần số dạng sóng đầu ra

Tần số đầu ra của MAX038 được kiểm soát bởi tụ điện dao động C_f, dòng điện IIN và điện áp FADJ. Với C_f cố định, điều chỉnh tần số tinh tế được thực hiện bằng cách kiểm soát chân IIN. Đối với điều khiển số, DACs được kết nối với IIN và FADJ. Chúng tạo ra các điện áp nhỏ, chuyển đổi thành dòng điện 0-748 μA (cộng thêm 2 μA từ mạng) cho 2-750 μA tại IIN, tạo ra dải tần số đầu ra. DAC chia dải này thành 256 bước, cho phép điều chỉnh thô qua dòng điện IIN và điều chỉnh tinh thông qua DAC.

2.3 Điều chỉnh điện áp đầu ra của mạch khuếch đại công suất

Ba mạch biến áp tăng áp một pha hoạt động như một biến áp ba pha để tăng tín hiệu đồng thời (tránh tác động lớn khi sử dụng trực tiếp biến áp ba pha lên tín hiệu nhỏ). Điều chỉnh điện áp từ 200 V đến 80 V được thực hiện bằng cách điều chỉnh các biến áp.

2.4 Điều chỉnh điện áp mạch làm việc DC

Mạch biến đổi và ổn định điện áp DC cung cấp nguồn DC ổn định từ nguồn AC 220 V tại chỗ. Nó tạo ra +35 V và +5 V (đáp ứng yêu cầu độ chính xác của biến áp) sử dụng các mô-đun nguồn DC 7805 và 7905.

3 Kết luận

• Nguồn cung cấp được thiết kế có chức năng rõ ràng, tiết kiệm chi phí và độ chính xác đầu ra cao, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của thiết bị kiểm tra.

• Thiết kế mô-đun giảm độ phức tạp, với các mạch liên kết nhưng độc lập. Phân chia chức năng rõ ràng (tạo sóng sin, điều khiển pha, khuếch đại công suất, nguồn DC) cho phép nâng cấp liên tục để đáp ứng nhu cầu của người dùng.

• Các tín hiệu điều khiển Q₀-Q₃ kết hợp với thiết kế mô-đun, thiết bị này tạo ra tín hiệu sóng sin một tần số, ba pha, hai pha trực giao, cộng với các sóng vuông/tam giác với các yêu cầu pha khác nhau, đáp ứng nhiều nhiệm vụ đa dạng.