程控任意波形功率電源的研究

摘要：采用了以單片機為核心，應用大規模集成邏輯器件FPGA、高速D／A轉換器MAX5885和功率放大電路的方案設計了一款任意波形功率驅動電源。系統由單片機控制各個模塊，頻率合成電路合成所需的不同頻率的時鐘作為控制地址計數器的時鐘信號，而地址計數器的計數輸出提供讀取存儲的數字波彤數據的地址，數據經數模轉換為模擬信號并經過功率放大后輸出。該電源可以雙路輸出1 Hz～1 MHz頻率范圍內幅度、頻率和相位可調的任意波形，同時將輸出信號進行功率放大以達到有效驅動負載的目的。測試結果表明，該電源在最大輸出電流為2 A時最大輸出功率為200W。
關鍵詞：任意波形發生器；單片機；頻率合成；FPGA；功放電路

隨著微電子技術和大規模集成電路制造技術的發展，大規模集成數字電路的應用越來越廣泛。文中應用了頻率合成技術和EDA技術設計了輸出信號幅度、頻率和相位可調的高穩定度程控任意波形功率電源，使得該電源具有頻率穩定度高、相位噪聲低以及大功率輸出的特點，其意義在于解決振動研究、新型傳感器研究、微機電系統研究、微流體研究、納米系統研究等精密工程領域的科學研究與工程研究對高穩定度任意波形功率驅動電源的需求，為相關科學研究與工程研究奠定基礎。

1 任務要求
就雙路輸出高穩定度任意波形功率電源的相關技術開展研究工作，電源的功能包括：1)輸出一路電壓信號，一路電流信號(或兩路電壓信號或兩路電流信號)，兩路信號相位可在O～360°范圍內調節；2)輸出信號的頻率可在1 Hz～1 MHz內調節；3)輸出電壓可在0～±100 V(或0～200 V)范圍內調節；4)輸出電流可在10mA～2A范圍內調節。

2 系統構成
2．1 本系統主要包括兩大部分
1)任意波形信號發生器的研制，主要包括頻率合成器、頻率調節器、相位調節器、幅度調節器和波形合成器。頻率合成器用以產生系統中不同的時鐘頻率，頻率、相位和幅度調節器則相應調節兩路輸出信號的頻率、相位差和幅度的大小，而波形合成器則將各種數字波形轉化為模擬波形。
2)功率放大器的研制，主要用以對輸出的各種波形信號進行整形和功率放大以便達到大功率輸出的要求。
2．2 系統組成框圖
雙路功率電源的一般構成如圖1所示。

3 電路設計
由微處理器控制的頻率合成電路產生不同的時鐘頻率，然后以此時鐘頻率為基準控制地址計數器產生順序地址以讀取存于波形存儲器中的波形數據，數字波形數據經過模數轉換器轉換為模擬信號，此模擬信號經由功率放大電路進行功率提升后即可輸出。信號頻率的調節要保證高穩定度頻率的輸出和盡可能低的相位噪聲。通過改變地址計數器的初始計數值達到對輸出信號相位調節的目的，而信號幅度的調節可以由另一路D／A去控制模數轉換的D／A轉換器的基準參考電壓而實現。
3．1 頻率合成電路
其難點在于合成輸出頻率范圍為36 Hz～36 MHz，以步長為36 Hz步進的高穩定度基準時鐘。設計中波形數據深度為36點，這樣若合成頻率的分辨率為36 Hz，即以36Hz步進的時鐘頻率即可獲得分辨率為1 Hz的輸出信號。
常用的頻率合成的方法包括鎮相環法和直接數字頻率合成(DDS)法。其中鎖相法所采用的鎖相頻率合成技術在近年發展較快，電路較為簡單，成本較低，應用也較廣泛，但其頻率轉換速度不快，頻率分辨率不高，當頻率較高時分頻電路和電路控制變得復雜，這使得該技術的應用受到了一定的限制。由于采用鎖相環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穩定的特性，因此在本系統中得到了應用。
鎖相環采用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，通過一個外接電容C1，一個或兩個R1、R2即可振蕩。由于輸出頻率范圍較寬，因此應將時鐘頻率合理分段合成。需要分段的段數N可由下式確定：

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