CN102832824B - 一种中小功率高精度高频正弦波交流电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中小功率高精度高频正弦波交流电源，包括供电电源、控制系统、DDS电路、一次滤波电路、电压放大电路、功率放大电路、二次滤波电路、隔离变压器、取样变压器、电压调理电路、输入输出设备、信号采集电路；本发明的中小功率正弦波交流电源，可以满足工业测量传感器所要求的输出电压精度高、正弦波失真度小，频率能够达到几百KHz的要求。本发明的正弦波交流电源，可以方便灵活地改变输出频率，满足不同的需求；本发明的电路设计简单，制造成本低，适合大规模推广使用。

Description

一种中小功率高精度高频正弦波交流电源

技术领域

本发明属于电磁一体化的测量技术领域，具体涉及一种中小功率高精度高频正弦波交流电源。

背景技术

在交流应用场合，大多数负载需要正弦波电源，随着电力电子技术和功率半导体器件的迅速发展，使高频正弦波输出的电源能够实现。高频正弦波电源在机械、轻工、节能、环保、医疗等方面有着广泛的应用，其中高精度高频正弦波电源对工业测量用的传感器尤为重要，可广泛应用于电磁压力传感器、电感传感器、电容传感器等，不仅能提高测量精度，而且能改善测量系统的性能和体积。

为了保证测量精度，工业测量传感器对正弦波电源的要求很高，一般要达到电压输出精度为5‰，正弦波失真度小于0.1％，频率最高达几百KHz的标准。现在广泛使用的正弦波脉冲调制（SPWM）技术，使正弦波电源超着大容量、高效率、高性能、模块化的方向发展。但随着对正弦波电源高频率和高精度的要求，正弦波脉冲调制（SPWM）技术就难以实现。因为随着频率和精度的要求越来越高，正弦波脉冲调制（SPWM）技术的载波比也就越大，但过大的载波比意味着极高的开关频率，在高频率应用场合会带来很大的开关损耗，甚至没有器件可供选择。这就给工业测量传感器的实际应用带来了很大的困扰，在很大程度上限制了工业测量传感器的发展。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供了一种应用于工业测量电磁传感器的中小功率高频高精度正弦波电源。通过采用数字频率合成（DDS）技术，经过两次滤波、功率放大、两路电压反馈，从而保证电压输出精度和正弦波失真度，满足工业测量传感器的要求。

一种中小功率高精度高频正弦波交流电源，包括供电电源、控制系统、DDS电路、一次滤波电路、电压放大电路、功率放大电路、二次滤波电路、隔离变压器、取样变压器、电压调理电路、输入输出设备、信号采集电路；

供电电源为控制系统、DDS电路、一次滤波电路、电压放大电路、功率放大电路、二次滤波电路、电压调理电路、输入输出设备、信号采集电路提供电源；用户通过输入输出设备设定正弦波，输入输出设备还显示本发明的正弦波交流电源输出电压的信息，输入输出设备将用户设定的正弦波信息输出至控制系统；控制系统根据用户设定的正弦波信息，向信号发生器DDS电路发送正弦波输出指令，信号发生器DDS电路根据指令输出用户要求的正弦波信号，输出至一次滤波电路；

一次滤波电路对正弦波信号进行滤波，滤波后的正弦波信号输出至电压放大电路；电压放大电路对正弦波信号进行电压放大，放大后的正弦波信号输入至功率放大电路，功率放大电路对正弦波信号进行电流放大，经过电压放大和电流放大的正弦波信号输出至二次滤波电路；其中，在电压放大电路中，调理电路将正弦波反馈信号输入至电压放大电路，正弦波信号和正弦波反馈信号同时连接至电压放大电路的同相输入端，实现反馈；

二次滤波电路对经电压电流放大的正弦波信号进行二次滤波，二次滤波后的正弦波信号输出至隔离变压器；隔离变压器的初级线圈连接二次滤波电路，第一次级线圈连接负载和取样变压器的初级线圈；取样变压器中次级线圈的同名端连接至电压调理电路中放大器的反相输入端，而次级线圈的异名端连接至电压调理电路中放大器的同相输入端，取样变压器采集的信号经过电压调理电路得到反相的正弦波反馈信号；该正弦波信号反馈到电压放大电路；

信号采集电路采集功率放大电路输出的电压，将得到的电压采样信号经A/D采样电路送到控制系统，控制系统经过增量式PID算法计算出控制量，根据控制量，控制系统输出PWM信号，经滤波电路得到直流信号，送给DDS发生器，实现调幅

本发明的优点在于：

（1）本发明的中小功率正弦波交流电源，可以满足工业测量传感器所要求的输出电压精度高、正弦波失真度小，频率能够达到几百KHz的要求；

（2）本发明的正弦波交流电源，可以方便灵活地改变输出频率，满足不同的需求；

（3）本发明的电路设计简单，制造成本低，适合大规模推广使用。

附图说明

图1本发明提供的中小功率高精度高频正弦波交流电源原理框图；

图2本发明提供的中小功率高精度高频正弦波交流电源硬件反馈电路图；

图中：

1供电电源        2控制系统      3DDS电路

4一次滤波电路    5电压放大电路  6功率放大电路

7二次滤波电路    8隔离变压器    9取样变压器

10电压调理电路   11输入输出设备 12负载

13信号采集电路

101正弦波信号    102正弦波反馈信号 801初级线圈

802第一次级线圈  803第二次级线圈   804高频磁芯

901初级线圈      902次级线圈       903高频磁芯

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种中小功率高精度高频正弦波交流电源，如图1所示，包括供电电源1、控制系统2、DDS电路3、一次滤波电路4、电压放大电路5、功率放大电路6、二次滤波电路7、隔离变压器8、取样变压器9、电压调理电路10、输入输出设备11、信号采集电路13。

供电电源1为控制系统2、DDS电路3、一次滤波电路4、电压放大电路5、功率放大电路6、二次滤波电路7、电压调理电路10、输入输出设备11、信号采集电路13提供电源。电路采用分离供电的方式，供电电源1为功率放大电路6提供±32V电源，为控制系统2、DDS电路3、输入输出设备11提供±5V电源，为一次滤波电路4、电压放大电路5、二次滤波电路7、电压调理电路10、信号采集电路13提供±15V电源。

输入输出设备11包括按键和液晶显示屏，用户可以通过按键设定正弦波的频率、相位等信息，液晶显示屏显示本发明的正弦波交流电源输出电压的输出频率、相位和幅值等，输入输出设备11将用户设定的正弦波信息输出至控制系统2。

控制系统2采用AVR微控制器，控制系统2根据用户设定的正弦波信息，通过SPI接口向信号发生器DDS电路3发送正弦波输出指令，信号发生器DDS电路3根据指令输出用户所要求频率、相位的正弦波信号，输出至一次滤波电路4。

一次滤波电路4为有源四阶Sallen-Key拓扑的巴特沃斯低通滤波和高通滤波组成，正弦波信号输入至一次滤波电路4，一次滤波电路4降低正弦波信号的杂散，使波形更干净，同时滤掉其含有的直流电压，滤波后的正弦波信号101输出至电压放大电路5。

如图2所示，电压放大电路5对正弦波信号101进行电压放大，放大后的正弦波信号101输入至功率放大电路6，功率放大电路6对正弦波信号101进行电流放大，电压放大和电流放大是为了满足用户对输出电压和功率的要求，功率放大电路6根据功率和频率等条件可以选择功率放大芯片或分立元件的功率放大电路，为了维护功率放大电路工作的稳定性，需要一条从功率放大电路输出反馈到输入的反馈回路。经过电压放大和电流放大的正弦波信号101输出至二次滤波电路7。

其中，在电压放大电路5中，调理电路10将正弦波反馈信号102输入至电压放大电路5，正弦波信号101和正弦波反馈信号102同时通过电阻连接至电压放大电路5的同相输入端，由于正弦波信号101和正弦波反馈信号102相位差180°，所以相当于两信号做减法，从而实现反馈。

如图2所示，二次滤波电路7由肖特基二极管、电感、电容组成，其连接方式见图2中二次滤波电路7框图。二次滤波电路7对经电压电流放大的正弦波信号101进行二次滤波，减弱功率放大后的正弦波信号101波形的畸变，满足正弦波失真度的要求，二次滤波后的正弦波信号101输出至隔离变压器8。

如图2所示，隔离变压器8由高频磁芯804、初级线圈801、第一次级线圈802、第二次级线圈803组成，隔离变压器8采用PCB型平面变压器的方式，初级线圈801、第一次级线圈802、第二次级线圈803分别印制在3层PCB的不同层上，然后叠放在高频磁芯804上。初级线圈801连接二次滤波电路7，初级线圈801与次级线圈802的匝数比由负载12要求的电压决定，初级线圈801与次级线圈803的匝数比为10：1。第一次级线圈802连接负载8和取样变压器9的初级线圈901，这样不仅实现了供电电源1与负载12的电气隔离作用，而且可以实时获取所述正弦波交流电源的输出电压。次级线圈802还为工业测量传感器后续的信号处理电路提供了一个同步信号。

本发明中的电压反馈部分如图1和图2所示，采用了两路电压反馈。一路是取样变压器9，另一路为信号采集电路13。

取样变压器9由高频磁芯903、初级线圈901、次级线圈902组成，取样变压器9采用PCB型平面变压器的方式，初级线圈901和次级线圈902分别印制在2层PCB的不同层上，然后叠放在高频磁芯903上。初级线圈901与次级线圈902的匝数比为5：2，通过取样变压器9可以实时地获取由于负载12变化而引起的功率放大电路6输出电压的变化。次级线圈901的同名端连接至电压调理电路10中放大器的反相输入端，而次级线圈901的异名端连接至电压调理电路10中放大器的同相输入端，利用输入电阻和反馈电阻的比值调整取样信号，这样取样变压器9采集的信号经过电压调理电路10就得到反相的-15V～+15V的正弦波反馈信号102。正弦波信号102反馈到电压放大电路5，用于调节由于负载12变化而引起的所述正弦波交流电源输出电压的变化。

信号采集电路13采用真有效值检测芯片采集功率放大电路6输出的电压，将得到的电压采样信号经A/D采样电路送到控制系统2，控制系统2经过增量式PID算法计算出控制量，根据控制量控制系统2输出PWM信号经滤波电路得到直流信号送给DDS发生器3，实现调幅。通过这两路电压反馈，本发明的一种中小功率高精度高频正弦波交流电源能够实现电压输出精度为5‰的要求，完全满足工业测量传感器对正弦波电源的要求。

由于电源频率高，隔离变压器8和取样变压器9采用PCB型平面变压器的方式，可以显著降低变压器的高度，减小变压器的体积和重量，提高变压器的功率密度，实现电源装置“轻、小、薄”。高频磁芯804和高频磁芯903由专业生产高频磁芯的厂家制作。功率放大电路6尽量安排电路板边缘靠近机箱，可以通过金属机箱散热。

本发明的控制系统2通过数据线向信号发生器DDS电路3发送输出波形、频率、相位等指令，信号发生器DDS电路3根据指令输出所要求频率相位的正弦波。该正弦波经过一次滤波电路4、电压放大电路5、功率放大电路6、二次滤波电路7和隔离变压器8输出给负载12。为了保证正弦波失真度，本发明采用了两次滤波电路。第一次滤波电路是滤除DDS输出信号的谐波成分和直流成分。第二次滤波电路是滤除由于功率放大电路6和负载12所引起的波形畸变，保证失真度。为了保证电压输出精度，本发明采用了两路电压反馈，一路电压反馈通过硬件实现，经隔离变压器8、取样变压器9、电压调理电路10得到的信号反馈到电压放大电路5，这种反馈是实时的，调节余量大，属于粗调。另一路电压反馈通过软件实现，通过信号采集电路13得到的电压采样信号经A/D电路送到控制系统2，控制系统2经过增量式PID算法计算出控制量，通过控制系统的PWM功能经滤波电路得到直流信号送给DDS电路3，实现调幅，这种反馈是数字调节，很精确，调节范围小，属于细调。

Claims (5)

1.一种中小功率高精度高频正弦波交流电源，其特征在于，包括供电电源、控制系统、DDS电路、一次滤波电路、电压放大电路、功率放大电路、二次滤波电路、隔离变压器、取样变压器、电压调理电路、输入输出设备、信号采集电路；

供电电源为控制系统、DDS电路、一次滤波电路、电压放大电路、功率放大电路、二次滤波电路、电压调理电路、输入输出设备、信号采集电路提供电源；用户通过输入输出设备设定正弦波，输入输出设备还显示正弦波交流电源输出电压的信息，输入输出设备将用户设定的正弦波信息输出至控制系统；控制系统根据用户设定的正弦波信息，向信号发生器DDS电路发送正弦波输出指令，信号发生器DDS电路根据指令输出用户要求的正弦波信号，输出至一次滤波电路；

一次滤波电路对正弦波信号进行滤波，滤波后的正弦波信号输出至电压放大电路；电压放大电路对正弦波信号进行电压放大，放大后的正弦波信号输出至功率放大电路，功率放大电路对正弦波信号进行电流放大，经过电压放大和电流放大的正弦波信号输出至二次滤波电路；其中，在电压放大电路中，调理电路将正弦波反馈信号输出至电压放大电路，正弦波信号和正弦波反馈信号同时连接至电压放大电路的同相输入端，实现反馈；

二次滤波电路对经电压电流放大的正弦波信号进行二次滤波，二次滤波后的正弦波信号输出至隔离变压器；隔离变压器的初级线圈连接二次滤波电路，第一次级线圈连接负载和取样变压器的初级线圈；取样变压器中次级线圈的同名端连接至电压调理电路中放大器的反相输入端，而次级线圈的异名端连接至电压调理电路中放大器的同相输入端，取样变压器采集的信号经过电压调理电路得到反相的正弦波反馈信号；该正弦波信号反馈到电压放大电路；

信号采集电路采集功率放大电路输出的电压，将得到的电压采样信号经A/D采样电路送到控制系统，控制系统经过增量式PID算法计算出控制量，根据控制量，控制系统输出PWM信号，经滤波电路得到直流信号，送给DDS电路，实现调幅；

所述的隔离变压器由高频磁芯、初级线圈、第一次级线圈、第二次级线圈组成，隔离变压器采用PCB型平面变压器的方式，初级线圈、第一次级线圈、第二次级线圈分别印制在3层PCB的不同层上，然后叠放在高频磁芯上；初级线圈与第一次级线圈的匝数比由负载要求的电压决定，初级线圈与第二次级线圈的匝数比为10：1；第二次级线圈为工业测量传感器后续的信号处理电路提供一个同步信号。

2.根据权利要求1所述的一种中小功率高精度高频正弦波交流电源，其特征在于，所述的电路采用分离供电的方式，供电电源为功率放大电路提供±32V电源，为控制系统、DDS电路、输入输出设备提供±5V电源，为一次滤波电路、电压放大电路、二次滤波电路、电压调理电路、信号采集电路提供±15V电源。

3.根据权利要求1所述的一种中小功率高精度高频正弦波交流电源，其特征在于，所述的一次滤波电路为有源四阶Sallen-Key拓扑的巴特沃斯低通滤波和高通滤波组成。

4.根据权利要求1所述的一种中小功率高精度高频正弦波交流电源，其特征在于，所述的取样变压器由高频磁芯、初级线圈、次级线圈组成，取样变压器采用PCB型平面变压器的方式，初级线圈和次级线圈分别印制在2层PCB的不同层上，然后叠放在高频磁芯上；初级线圈与次级线圈的匝数比为5：2，通过取样变压器实时地获取由于负载变化而引起的功率放大电路输出电压的变化。

5.根据权利要求1所述的一种中小功率高精度高频正弦波交流电源，其特征在于，所述的功率放大电路的电路板边缘靠近机箱，能够通过金属机箱散热。