一般說來,工頻功率電源是由信號產生、功率放大、輸出控制三大部分組成。其中,信號發生電路是工頻功率電源的核心。它是用來產生多相正弦波信號,并完成對信號的頻率、相位和幅度的調節。
信號產生電路,既可以由模擬電路實現,電可以由數字電路產生。由模擬電路設計的電源稱為模擬信號源,由數字電路設計的電源稱為數字信號源。
1 模擬和數字信號源的區別
模擬信號源輸出頻率和相位可實現連續可調;可使輸出信號有很高的穩定性。缺點是:相位及頻率的時間穩定性差;調節相位時對幅度有影響;且頻率及相位無法直接顯示;電路調試困難,工藝結構復雜,難以實現程控。
數字信號源輸出幅度、頻率和相位的時間穩定性好;調節相位時對幅度沒有影響;數字電路容易調試,工藝結構簡單,與計算機接口方便,易實現程控。幅度、頻率和相位雖不能連續調節,但足以滿足實際需求,所以工頻功率電源多是數字信號源。
2 波形的分解與量化
要實現信號源的數字化,首先把要得到的波形進行分解和量化,然后再對分解和量化的波形進行合成。即按順序將波形的幅值以數字信息存入存貯器,工作時,再以相同的順序取出相應幅值,經D/A電路變換成模擬量,輸出所需的各種波形,假設我們欲得到圖1(a)所示的正弦波。
如果在一個周期內,將該正弦波等分成16段,即以n°=360°/16=22.5°為間隔分成16個點。在峰-峰幅值之間共分成土100個等級,16個點的量化等級即如圖1中所示;如在一個周期內,將該正弦波等分成30段,即以n°=360°/30=12°為間隔分成30個點。在峰-峰幅值之間共分成±100個等級,30個點的量化等級即如圖1(b)所示。
很顯然,一個周期內分解的點數以及幅度的量化級越多,波形越逼真。由此產生一個完整的正弦波所需的數據量就越
大。幅度量化的級數越多,設計電路時所需的D/A位數就越多,成本就越高,但D/A位數少時,輸出波形不平滑,含有高次諧波,需用低通濾波器濾除,而低通濾波器會產生附加相移。
一般是根據相位的調節細度來選擇分解的點數,根據設計的等級來選擇量化的級數。假如需要設計一個相位調節細度為1°,幅度調節細度為不大于0.5%的數字源。因為相位調節細度為1°,則可取360個點;8位D/A的量化等級為1/256=0.0039=0.39%<0.5%。即一個完整周期的正弦波分為360個點,每點的幅值用8位二進制數表示,并且采用偏移二進制數雙極性碼。所謂偏移二進制雙極性碼,就是將自然二進制碼對應的模擬量平移后得到的,它將模擬量的零值移至與數字量80H相對應。這樣,當Sin90°=1時,量化值為FFH;sin180°=0時,量化值為80H;sin270°=-1時,量化值為00H。
另外,存貯該正弦波數據所需的存貯器容量為360×8位。
確定了上述波形信息,就可進行波形的合成。
3 波形的合成
如圖2所示,假定住ROM里已存貯了上述波形信息。波形計數器依次送山ROM里的地址信息0~359。在地址信號作用下,依次取出存入ROM里的各點幅伉數據,并送入D/A。在D/A中把幅值的數字信息變為相應的模擬電流,經運算放大器將電流信號變為電壓信號,再通過低通濾波器濾除高次諧波,便可得到光滑的正弦波。
D/A變換及運放濾波電路如圖3所示。
圖中DAC0832是8位CMOS D/A芯片,的數字信號經兩級鎖存,輸出的是電流信號,輸出電流與輸入的數字量NB的關系如式1所示
根據圖中電路接法可知
按照式3可算出輸出電壓Uo與輸入二進制數的關系,如表1所列。它符合偏移二進制雙極性碼的姚律。
4 數字調幅
由式3可見,要改變輸出正弦波的幅度,只要改變形成波型的基準電壓UREF即可,而UREF是由D/A 2提供的,如圖4所示。所以只要改變輸入給D/A 2的數字量即可改變合成數字波形時的基準電壓UREF。這樣也便于實現幅度的程控調節。至于D/A 2的位數,應由輸出幅度的調節細度來決定,當要求調節細度較高時,D/A2的位數應高一些,該例中調節細度為不大于0.5%,使劇DAC0832即可。
5 頻率合成
當然,對于單相工頻電源來說,要使頻率能在一定的范圍內連續可調,并且有很高的穩定度,就要用到頻率合成技術。所謂頻率合成技術,就是將一個基準頻率fo變換成一系列的新頻率fl=Nfo,并且這些新頻率的穩定度要與基準頻率相當。根據頻率穩定度及調節細度的要求來設計出相應的變頻電路;對于多相工頻電源來說,還有數字移相電路,這里不再累述。
本文所闡述的主要足信號發生電路在工頻功率電源中的實現,其實該電路可實現任意的波形輸出,而且通過配合相應的電路,可產生任意頻率和相位可調的波形。該電路原理的實現具有廣闊的應用前景。