基于DSP的單相精密電源硬件系統(tǒng)設計

1.引言
　　
各種電源在現(xiàn)代用電設備中正得到越來越多的應用，對精度的要求也越來越高，傳統(tǒng)的電源設計在有些領域很大程度上已不能滿足人們的需求。DSP 軟件編程靈活，自由度大，實時運算速度,數(shù)據(jù)處理能力高。本文以TMS320VC33 DSP為核心，設計一種處理速度和準確度都較高的單相精密電源，以滿足人們的實際需要。

2．電源信號的生成及控制

電源信號分為電壓信號和電流信號兩個，都是正弦波信號。同一時刻具有相同的頻率，不一定有相同的相位和幅度。我們首先設計電壓正弦波信號的生成。

離散正弦波的生成是通過每一個離散周期取得對應時刻改正弦波的幅值并輸出獲得的。第二種方法是讓函數(shù)y=sin(nT)把n從0到N-1的值都計算出來，在程序存儲器中建立一個表來存入這些數(shù)據(jù)。電流正弦波的生成原理和生成過程與電壓正弦波完全相同，只是因為相位原因而在同一時刻取表的值不同而已。

TMS320C3X的事件管理器有兩個32位通用的定時器模塊。每個定時器有兩種操作方式和內(nèi)部和外部時鐘?？梢允褂枚〞r器模塊在指定的時間間隔向C3X或外部發(fā)信號或者記錄外部事件。它們可以作為獨立的時基工作，定時器中斷是一個內(nèi)部中斷。其用途包括控制系統(tǒng)中捕獲周期的發(fā)生；為正交編碼器電路脈沖電路和捕捉單元的操作提供時間基準。為全比較單元和單比較單元及相關的PWM電路產(chǎn)生比較輸出等。每個通用定時器內(nèi)核心部分是32位計數(shù)器，計數(shù)范圍為04294967296個脈沖。計數(shù)脈沖可以由內(nèi)部時鐘經(jīng)過分頻產(chǎn)生，可由外部引腳提供時鐘。由于本產(chǎn)品的頻率是可調(diào)的，可以用定時器來在一定的時間在ROM中取出各個點的正弦波值，也可以用外接器件來改變頻率。在這里我們采用后一種方法。原理是用8253的兩個計數(shù)通道來改變頻率，方框圖如圖1所示：由MC14060產(chǎn)生180HZ的時鐘，經(jīng)過分頻后產(chǎn)生Nf的時鐘。由于要求的頻率要有精確到兩位小數(shù)，則8253的通道2的記數(shù)值設定為100。在本系統(tǒng)中我們?nèi)∶恐芷陔x散點N=720，但是系統(tǒng)要求的相角精度為0.0 ，所以將兩個離散點之間的取數(shù)間隔定為5個計數(shù)周期。設期望正弦波頻率為f ,由8253的通道1作為反饋來得到精確的頻率值。在通道1記數(shù)完成的時候向DSP發(fā)出一個中斷信號，收到中斷后，DSP發(fā)送數(shù)據(jù)到電壓和電流的A/D轉(zhuǎn)換器，完成一個離散點的值。當通過鍵盤改變頻率時，只需要通過程序計算出一定的數(shù)值寫入8253的通道0的記數(shù)即可達到改變頻率的目的。

圖1 頻率通道的方框圖
　
TMS320C33與其外圍芯片的接口。其指令可以對片內(nèi)I/O寄存器和外部I/O端口進行訪問，使用地址線的4位來訪問I/O外圍芯片。I/O空間的地址分配可以借助于譯碼器件。74154是一個4到16位的譯碼器，由DSP的高地址作為輸入，DSP的I/O空間使能引腳控制譯碼器的使能引腳。其輸出作為DSP外圍芯片外圍引腳的使能端輸入。輸出與外圍芯片的片選相連，達到分配I/O空間的目的。

3. D/A轉(zhuǎn)換的硬件組成
　
用DSP生成并輸出的正弦波是離散的數(shù)字信號，要把它變成連續(xù)的模擬信號則需要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換；要實現(xiàn)正弦電源信號的幅度可控，必須通過DSP改變D/A的參考電壓，參考電壓由DSP提供。本系統(tǒng)我們選用DAC083 D/A轉(zhuǎn)換器，由于DAC0832有兩個8位寄存器和一個8位D/A轉(zhuǎn)換器，而DSP輸出信號為16位。所以需要兩片DAC0832并聯(lián)。

電壓轉(zhuǎn)換包括電流D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓D/A轉(zhuǎn)換與電壓D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓D/A轉(zhuǎn)換，輸出電壓D/A轉(zhuǎn)換，電流D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓D/A轉(zhuǎn)換與電壓D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓D/A轉(zhuǎn)換基本相同，輸出電壓的D/A轉(zhuǎn)換和輸出電流的D/A轉(zhuǎn)換，他們的電路圖基本上是一致，只有寄存器的使能信號不相同。限于篇幅，在此只給出如圖3所示電源輸出的D/A轉(zhuǎn)換電路圖。DAC0832的數(shù)據(jù)線和DSP的數(shù)據(jù)限制接相連，當譯碼器選中 時，政弦波電壓信號輸入電壓D/A轉(zhuǎn)換器的輸入寄存器，接著譯碼器選中 ，正弦波電流信號輸入電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸入寄存器，然后譯碼器選中 ，電壓D/A轉(zhuǎn)換器和電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸入寄存器同時把數(shù)據(jù)送入DAC寄存器，同時進行D/A轉(zhuǎn)換。

圖3 電源輸出的D/A轉(zhuǎn)換電路

4. 電源信號的輸出與檢測
　　
電源信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和濾波后，再經(jīng)過前饋、反饋、PI調(diào)節(jié)器的電路后輸出電壓已經(jīng)達到很高的精度和穩(wěn)定度，再經(jīng)過功放后，進入系統(tǒng)輸出部分。在輸出部分，我們還要檢測電源信號來用于反饋補償。

4.1 電壓信號的輸出與檢測
　　
電路如圖4，A點為運算放大器的輸出端，經(jīng)過多抽頭電流互感器可以分別得到380V、220V、60V的輸出電壓，電路互感器的三個抽頭分別用三個繼電器J380V、J220V、J60V與輸出端相連，繼電器的閉合由DSP控制，即從鍵盤輸入命令，電壓輸出端即可輸出相應級別的電壓。

圖4 電壓信號的輸出與檢測

4.2 電流信號的輸出和檢測
　　
電路如圖5，和電壓輸出的電路一樣，A點為功率放大器的輸出端，基于取得檢測信號Urf相同的原理，獲得檢測信號Irf，只是置位電阻阻值為0.15歐。通過電流互感器得到電流輸出，電流輸出再通過另一個電流互感器得到檢測信號。兩個電流互感器均為三個抽頭。三對抽頭分別經(jīng)過三個繼電器J1A、J5A、J10A連接，用于檢測的電流互感器的公共端即為電流輸出端。

圖5電流檢測補償電路

5 反饋放大和報警電路
　
為了保證電源輸出的精度，所以在D/A轉(zhuǎn)換和輸出之間設計了一個反饋和放大電路。同時在產(chǎn)品中，電源的輸出中不能出現(xiàn)電壓電路短路和電流電路開路的情況。所以應該在電路添加報警電路，。報警電路要包括光報警和聲音報警。如圖6所示，電路分為三個部分：放大電路、報警電路和反饋電路。經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和濾波后的連續(xù)平滑正弦波電源信號作為前饋信號的同時，經(jīng)過跟隨器與檢測信號Uwf（Iwf）經(jīng)反向跟其后的信號相加，它們的和通過一個PID調(diào)節(jié)器之后與前饋信號Un，檢測信號Urf（Irf）相加后輸入PI調(diào)節(jié)器，得到的值即為輸入放大電路的 U0。其中檢測信號Urf（Irf）經(jīng)過反向跟隨器后，得到輸入DSP的A/D轉(zhuǎn)換電路的信號。在電路中，需要檢測輸出電壓和電流來作為反饋信號，用來輸入DSP，來顯示幅度的。其原理圖如圖7所示：模擬開關CD4051控制信號XF1的控制下不斷得對反饋回來的電壓和電流

圖6 反饋放大、報警電路

圖7 電壓和電流反饋電路方框圖

進行采樣，在相臨的兩個周期分別向AD7135輸入電壓和電流信號。模擬量輸入AD7135轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換完畢后，數(shù)據(jù)分5次輸出，共5位BCD碼即D5-D1與其對應，每當AD7135轉(zhuǎn)換完成的時候，向C33發(fā)送一個中斷脈沖，C33中斷一次，讀入一位BCD碼數(shù)據(jù)，在第五次中斷時，即最后一次數(shù)據(jù)采集完后，停止AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器后進入DSP，并且在顯示器中分別顯示出來電壓和電流的值。

此外，為了分擔DSP的分析、管理等方面的任務，在系統(tǒng)設計時對專門負責與上位機通信的串行異步通信口也作了相應的擴展；為便于人機對話，還有振蕩器方式的時鐘電路，MAX811與DSP的接口的復位電路，鍵盤顯示電路等設計，限于篇幅，均略去。

6．結(jié)論
　　
設計的單相高精度電源采用TMS320V33作為其信號生成和處理元件，并完成幅度、頻率、相位的控制、報警顯示等一系列任務。選用DAC0832作為D/A轉(zhuǎn)換模塊，分別把離散的DSP正弦輸出信號轉(zhuǎn)化為相應的模擬電壓信號和模擬電流信號，并使用PA03作為功率放大器件。由鍵盤和顯示器組成人機對話窗口。電源信號幅度、頻率、相位要求均通過鍵盤控制達成，頻率和相位完全由DSP產(chǎn)生的離散正弦信號控制，幅度值則由DSP控制，D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓幅值和繼電器的閉合來達到要求。輸出電源信號的速度和精度除依賴于DSP的性能外，還與外圍器件存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大器和其它阻容模擬開關電路有關。用兩片ADC0832擴展成16位并行D/A轉(zhuǎn)換以提高速度。采用低失調(diào)，小溫漂，寬輸入的OP07作為運算放大器，采用高精度、大功率、功耗小的PA03作為功率放大器。還設計了電流補償電路、PI調(diào)節(jié)電路以保證精度。應用該設計設計出的電源在實際應用中具有精度高、速度快、穩(wěn)定性高特點。