程控任意波形功率電源的研究

摘要：采用了以單片機(jī)為核心，應(yīng)用大規(guī)模集成邏輯器件FPGA、高速D／A轉(zhuǎn)換器MAX5885和功率放大電路的方案設(shè)計(jì)了一款任意波形功率驅(qū)動(dòng)電源。系統(tǒng)由單片機(jī)控制各個(gè)模塊，頻率合成電路合成所需的不同頻率的時(shí)鐘作為控制地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，而地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸出提供讀取存儲(chǔ)的數(shù)字波彤?dāng)?shù)據(jù)的地址，數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并經(jīng)過功率放大后輸出。該電源可以雙路輸出1 Hz～1 MHz頻率范圍內(nèi)幅度、頻率和相位可調(diào)的任意波形，同時(shí)將輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大以達(dá)到有效驅(qū)動(dòng)負(fù)載的目的。測試結(jié)果表明，該電源在最大輸出電流為2 A時(shí)最大輸出功率為200W。
關(guān)鍵詞：任意波形發(fā)生器；單片機(jī)；頻率合成；FPGA；功放電路

隨著微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成數(shù)字電路的應(yīng)用越來越廣泛。文中應(yīng)用了頻率合成技術(shù)和EDA技術(shù)設(shè)計(jì)了輸出信號(hào)幅度、頻率和相位可調(diào)的高穩(wěn)定度程控任意波形功率電源，使得該電源具有頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低以及大功率輸出的特點(diǎn)，其意義在于解決振動(dòng)研究、新型傳感器研究、微機(jī)電系統(tǒng)研究、微流體研究、納米系統(tǒng)研究等精密工程領(lǐng)域的科學(xué)研究與工程研究對高穩(wěn)定度任意波形功率驅(qū)動(dòng)電源的需求，為相關(guān)科學(xué)研究與工程研究奠定基礎(chǔ)。

1 任務(wù)要求
就雙路輸出高穩(wěn)定度任意波形功率電源的相關(guān)技術(shù)開展研究工作，電源的功能包括：1)輸出一路電壓信號(hào)，一路電流信號(hào)(或兩路電壓信號(hào)或兩路電流信號(hào))，兩路信號(hào)相位可在O～360°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；2)輸出信號(hào)的頻率可在1 Hz～1 MHz內(nèi)調(diào)節(jié)；3)輸出電壓可在0～±100 V(或0～200 V)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；4)輸出電流可在10mA～2A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成
2．1 本系統(tǒng)主要包括兩大部分
1)任意波形信號(hào)發(fā)生器的研制，主要包括頻率合成器、頻率調(diào)節(jié)器、相位調(diào)節(jié)器、幅度調(diào)節(jié)器和波形合成器。頻率合成器用以產(chǎn)生系統(tǒng)中不同的時(shí)鐘頻率，頻率、相位和幅度調(diào)節(jié)器則相應(yīng)調(diào)節(jié)兩路輸出信號(hào)的頻率、相位差和幅度的大小，而波形合成器則將各種數(shù)字波形轉(zhuǎn)化為模擬波形。
2)功率放大器的研制，主要用以對輸出的各種波形信號(hào)進(jìn)行整形和功率放大以便達(dá)到大功率輸出的要求。
2．2 系統(tǒng)組成框圖
雙路功率電源的一般構(gòu)成如圖1所示。

3 電路設(shè)計(jì)
由微處理器控制的頻率合成電路產(chǎn)生不同的時(shí)鐘頻率，然后以此時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)控制地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生順序地址以讀取存于波形存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)，數(shù)字波形數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，此模擬信號(hào)經(jīng)由功率放大電路進(jìn)行功率提升后即可輸出。信號(hào)頻率的調(diào)節(jié)要保證高穩(wěn)定度頻率的輸出和盡可能低的相位噪聲。通過改變地址計(jì)數(shù)器的初始計(jì)數(shù)值達(dá)到對輸出信號(hào)相位調(diào)節(jié)的目的，而信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)可以由另一路D／A去控制模數(shù)轉(zhuǎn)換的D／A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)參考電壓而實(shí)現(xiàn)。
3．1 頻率合成電路
其難點(diǎn)在于合成輸出頻率范圍為36 Hz～36 MHz，以步長為36 Hz步進(jìn)的高穩(wěn)定度基準(zhǔn)時(shí)鐘。設(shè)計(jì)中波形數(shù)據(jù)深度為36點(diǎn)，這樣若合成頻率的分辨率為36 Hz，即以36Hz步進(jìn)的時(shí)鐘頻率即可獲得分辨率為1 Hz的輸出信號(hào)。
常用的頻率合成的方法包括鎮(zhèn)相環(huán)法和直接數(shù)字頻率合成(DDS)法。其中鎖相法所采用的鎖相頻率合成技術(shù)在近年發(fā)展較快，電路較為簡單，成本較低，應(yīng)用也較廣泛，但其頻率轉(zhuǎn)換速度不快，頻率分辨率不高，當(dāng)頻率較高時(shí)分頻電路和電路控制變得復(fù)雜，這使得該技術(shù)的應(yīng)用受到了一定的限制。由于采用鎖相環(huán)法可以利用其較低的相位噪聲、較高的頻譜純度以及且輸出信號(hào)穩(wěn)定的特性，因此在本系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
鎖相環(huán)采用74HC4046，其壓控振蕩器是一種由RC電路充放電使其振蕩的多諧振蕩器式壓控振蕩器VCO，通過一個(gè)外接電容C1，一個(gè)或兩個(gè)R1、R2即可振蕩。由于輸出頻率范圍較寬，因此應(yīng)將時(shí)鐘頻率合理分段合成。需要分段的段數(shù)N可由下式確定：

式中fmin、fmax為鎖相環(huán)輸出的最低、最高頻率，C=3．270 2，[]為取整號(hào)。根據(jù)式(1)可得N=8，此時(shí)輸出頻率范圍為36 Hz～36 MHz。將頻段由低頻向高頻依次排列，設(shè)其頻段序號(hào)為i(1≤i≤N)，則第i頻段的起止頻率為fli、fhi由下式確定：