胡超，许宜申
（苏州大学物理与光电·能源学部，江苏苏州215006）
摘要：针对精密仪器和精密机电系统中对任意波形电源的应用需求，设计一种输出波形可控的高精度数控电源。系统采用模块化设计，主要包括信号发生器、电压幅值调节、功率放大器、A/D转换和触摸式液晶屏显示等模块。信号发生器采用直接数字频率合成技术和积分电路，得到电压幅值固定的正弦波、方波、三角波和锯齿波等模拟信号，并通过电压幅值调节模块实现模拟信号电压幅值可调，最后经功率放大器后输出以驱动负载。实验测试结果表明：该电源可以输出频率范围为1~50 kHz，最大峰值电压为40 V的任意波形。
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关键词 ：信号发生器；直接数字频率合成器；任意波形电源；调幅电路；功率放大器
中图分类号：TN710?34；TM919 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0145?04
收稿日期：2014?12?09
0 引言
目前，频率、幅值和输出波形可控的任意波形电源在交流仪器仪表校验中作为标准源而得到广泛的应用；在测量和控制设备的研制过程中也是重要的调试设备。近年来，压电陶瓷器件作为新型位移器件，已成为微位移系统中的驱动元件，压电陶瓷器件在电场作用下应变产生位移输出，驱动相关机构产生微位移，而应变是由电源的频率、电压和波形控制的。因此，频率、幅值和输出波形可控的高精度数控电源已成为精密仪器和精密机电系统中的重要组成部分，是决定其精度的重要因素之一。
针对电源输出波形可控，且频率、电压幅值可调以及大功率的应用需求，设计了一种输出波形可控的高精度数控电源。本设计中的信号发生器模块采用直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis，DDS），配合积分电路得到电压幅值固定的正弦波、方波、三角波和锯齿波4类模拟信号，并通过电压幅值调节电路实现模拟信号电压幅值的调节。功率放大器采用D类功率放大器，效率达到90%以上，采用触摸液晶屏设置波形参数以及显示当前电源输出状态。
1 系统基本工作原理
1.1 系统总体方案设计
系统的总体设计方案如图1 所示。系统工作前在触摸液晶屏上设置电源输出波形、频率以及电压幅值，确定后触摸液晶屏将电源输出参数通过串口通信传递到微处理器，微处理根据设置参数控制信号发生器并经电压幅值调节得到预设模拟信号，最后经过功率放大电路之后驱动负载。同时，A/D转换电路将负载两端电压以及流经负载的电流进行模/数转换，经微处理器进行数据处理后，在触摸液晶上显示电源当前输出状态。
E2PROM存储默认输出波形类型、幅值和频率的参数值。
1.2 直接数字频率合成原理
传统的信号发生器采用分立元件以及模拟集成电路，以RC或LC自激振荡为主振级的信号发生器，虽然结构简单，频率范围宽，但是还是克服不了稳定性、准确性差的问题。石英晶体振荡器虽然稳定度和准确度高，但它的频率不可调，工作场合比较单一。
针对传统信号发生器的缺陷，本设计中采用DDS来产生正弦波。DDS基本结构包括参考时钟、相位累加器、正弦查询表、D/A 转换器和低通滤波器5 个部分组成，它是采用高稳定的参考时钟量化抽样时间间隔，利用信号相位与时间成线性关系的特性，直接对所需信号进行抽样、量化和映射，输出频率可调的模拟信号。
2 主要硬件单元设计
本设计硬件部分主要由DDS 信号发生器电路、电压幅值调节电路和D类功率放大电路等组成。
2.1 DDS信号发生器电路
电源输出波形是由信号发生器经电压幅值调节电路和功率放大电路之后得到，所以信号发生器的性能高低是决定其频率精度以及稳定性的重要因素之一。因此，设计一个高频率精度、稳定性强的信号发生器是保证本电源性能的关键。
本设计采用美国A/D 公司的DDS 芯片AD9850，通过微处理器程序控制和处理AD9850 的32 位频率控制字，得到正弦波和方波，再配合积分电路得到三角波以及锯齿波。AD9850 可实现全数字编程控制的频率合成，通过内部高速比较器可直接输出方波。
AD9850的输出频率：
出相应的频率控制字。
DDS信号发生器电路如图2所示。
微处理器与AD9850有并行和串行2种控制命令字写入方式，并行方式与串行方式相比，虽然占用资源较多，但电路连接简单，且速度快，为了充分发挥AD9850芯片的高速性能，本设计采用并行方式。微处理器的P0口连接AD9850并行输入端（D0~D7），产生的正弦信号经低通滤波器（LPF）之后，滤除高频谐波得到稳定的正弦波。正弦波经电压比较器后输出占空比可调的方波，再将方波加至积分电路，改变方波占空比选择输出三角波或锯齿波。
2.2 电压幅值调节电路
由于AD9850 输出正弦波和方波的电压幅值不可调，所以DDS信号发生器输出模拟信号幅值固定，无法满足幅值可调的要求。为实现对输出模拟信号幅值的数字控制，本设计采用微控制器控制D/A转换芯片输出模拟电压，与DDS 信号发生器输出模拟信号共同连接到模拟乘法器的输入端，有如下表达式：
式中：Vout 为电压幅值调节电路输出电压；Vdds 为DDS 信号发生器输出模拟信号电压；Vd/a 为D/A 转换芯片输出模拟电压。由于DDS信号发生器输出模拟信号电压Vdds为固定值，因此输出电压Vout 是由D/A 转换芯片输出模拟电压Vd/a 决定，从而实现幅值调节。本次设计采用D/A转换芯片TLC5615和模拟乘法器AD633。图3为电压幅值调节电路。
TLC5615 是10 位串行数/模转换器，其输出为电压型，转换速度快，只需要3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，大大简化了电路。
TLC5615输出函数为：
式中：Vref是参考电压；N 是输入的二进制数。本设计中采用高精度低压基准芯片MC1403 提供2.5 V 参考电压，N 用软件编程设置。
AD633 是一款功能完整的四象限模拟乘法器，具有±8 V~±18 V宽供电范围、1 MHz工作带宽，输入方式为差分（双端）输入，AD633输出函数为：
因此通过TLC5615和AD633可实现对输出模拟信号电压幅值0~1 V的数字控制。
2.3 功率放大电路
电压幅值调节电路输出的模拟信号电压和电流都比较低，不足以驱动大负载，功率放大器就是对电压幅值调节电路输出的模拟信号进行电压和电流的放大，以达到驱动负载的要求。本设计采用D 类功放芯片IRS2092 来实现功率放大。IRS2092 是集成PWM（Pulse Width Modulation）调制器和保护的高压高性能D类功放专用芯片，工作频率高达800 kHz，最大电压为200 V，可提供500 W输出功率，完全符合大功率输出的要求。它的基本原理是：模拟信号输入到IRS2092芯片中进行调制，得到两路相位互补的PWM 驱动信号。
两个MOS 管组成半桥输出电路，PWM 驱动信号驱动MOS管轮流导通，得到高电压、大电流的PWM 信号，再经低通滤波器将PWM信号还原成与输入信号幅度变化一致的波形。如图4所示为功率放大电路图。电路采用闭环负反馈结构，将输出电压通过反馈电阻R7 反馈回IRS2092 的输入端，根据IRS2092 技术手册可知电阻R7 R1 的比值决定了功率放大电路的电压增益，本设计选取R7为120 kΩ，R1为3 kΩ，所以该功率放大电路的电压增益Av为：
3 软件部分设计
系统软件的设计和编程对整个系统高效正常运行起着极其重要的作用，直接影响系统性能的高低。系统软件以Keil 4为开发编译环境，使用C语言进行系统程序的编写。图5为系统软件流程图。
初始化包括微处理器初始化、串口初始化、触摸液晶屏初始化等。在初始化完成后，触摸液晶屏将显示“参数设置”页面，表示系统工作正常，等待用户命令。此时触摸液晶屏等待用户输入频率、电压幅值，选择输出波形，如不设置则为默认值，待参数设置完毕，点击“确认”则输出所需波形。
4 实验结果
在室温条件下，使用数字示波器UT2025C 测量电源输出波形实际频率值，将测量值与设定值进行对比。设定输出波形空载电压有效值12.000 V，频率为1 kHz，利用6位半安捷伦数字万用表Agilent34401A 测量不同负载下输出电压值和电流值。测量结果见表1、表2。
5 结语
本文介绍了一种输出波形可控的高精度数控电源的设计方法及其实现原理。信号发生器电路采用DDS芯片AD9850 以及积分电路实现，提高了电路的可靠性，简化了电路设计，使得输出信号具有频带宽、稳定度高、频率步进值小等优点。本设计采用D类功率放大器进行功率放大，输出波形功率大且效率高。系统性能稳定，精度高，操作简单，具有广泛的应用前景。
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作者简介：胡超（1989—），男，浙江慈溪人，硕士研究生。主要从事检测技术与自动化装置研究。
许宜申（1979—），男，江苏新沂人，博士，副教授，硕士生导师。主要研究方向为仪器仪表与自动化检测技术。