CN105897171B - 宽频带激磁信号发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽频带激磁信号发生器，涉及电子信号装置领域，频率控制字通过数据接口总线设定，进入CPLD逻辑控制模块配置DDS发生器的工作频率，DDS发生器产生的信号依据设定的频率控制字，经过相位累加后通过DA接口输出可变频率的正弦波，然后正弦波信号进入调理电路模块进行调理滤波，最后经过功率放大电路模块，实现预定频率的激磁信号的输出，本发明中设计的隔离调理电路，第一个放大器提高了信噪比，起到了缓冲的作用，隔离性运算放大器保证输出信号不受共模电压的影响，并消除共地带来的电磁干扰，第二个运算放大器提高了输出能力，总之，该功率放大电路提高了系统的可靠性，使工作时更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及电子信号装置，尤其是激磁信号发生器装置。
背景技术
激磁信号发生器通常作为旋转变压器的测试激励信号源，能够产生一个高电压、大电流的功率信号，功能是产生一定频率、幅度稳定的功率正弦波。传统激磁信号源的产生方法多为模拟方法或者专用集成芯片，虽然电路实现比较简单，但产生的信号频率单一，导致一定频率的旋转变压器只能使用一定频率的激磁信号发生器，造成信号发生器的总类繁多，兼容性差，而且信号的精度、控制灵活度、技术指标等有时不能符合现代技术的需求。随着技术和器件水平的提高，直接频率合成技术(DDS，Direct Digital Synthesizer)得到了飞速发展，由于在相对带宽、频率转换时间、高分辨率、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，将取代其他频率合成技术成为应用最广泛的主流频率合成技术。
宋晓梅等在《西安工程大学学报》上发表的《基于FPGA的DDS激磁信号源的设计》是基于上位机软件，在USB通信控制FPGA的模式上完成了DDS激磁信号发生器的设计。这种做法虽然可以同时产生多种频率和多种类型的波形信号，但其信号的产生是直接经过高速DAC芯片还原的，产生的信号功率远远达不到旋转变压器中测试激励信号的需求。此外，激磁信号发生器中的高压电路对低压控制电路会产生干扰，导致系统的不稳定，同时，高电压大电流的感性负载在上下电时可能会产生瞬时过冲信号，使系统容易损坏，可靠性不高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种可靠性更高，适应性和带负载能力更强的宽频带激磁信号发生器。该发明的设计方案是基于DDS发生器结合复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)逻辑控制和数据总线接口技术的方法实现正弦宽频带激磁信号发生器。
本发明的宽频带激磁信号发生器包括CPLD逻辑控制模块、DDS发生器模块、调理电路模块和功率放大电路模块，频率控制字通过数据接口总线设定，进入CPLD逻辑控制模块配置DDS发生器的工作频率，DDS发生器产生的信号依据设定的频率控制字，经过相位累加后通过DA接口输出可变频率的正弦波，然后正弦波信号进入调理电路模块进行调理滤波，最后经过功率放大电路模块，实现预定频率的激磁信号的输出。所述的调理电路模块按照“精密高速运算放大器+隔离型运算放大器+精密高速运算放大器”的电路设计，从DDS发生器输出的正弦波，通过一个精密高速运算放大器，进入一个隔离型运算放大器，再进入一个精密高速运算放大器，所述的精密高速运算放大器要求满足偏置电压<25μV，速度>8兆/秒，对该隔离型运算放大器的4个电源端均接入电感和电容组成的π型滤波器。
所述的CPLD逻辑控制模块兼容不同的数据总线，在实现对数据总线的控制的同时，实现控制DDS发生器的读写操作。
所述的DDS发生器模块，产生一个频率从400Hz到20kHz连续可调、幅度稳定的正弦波信号。
所述的功率放大电路模块为激磁信号电压有效值+26V、驱动电流2A，功率放大电路模块使用单片高压大功率放大器，所述的单片高压大功率放大器要求滿足工作电压>±50V，输出电流>1A；基本的功率放大电路是对功率放大器外接±42V双端电源电压，在输入端串接耦合电容C2，在该功率放大器的2脚与1脚之间串接电阻R1，8脚和1脚之间串接电阻R2，在功率放大器的3脚与7脚之间串接电阻R3，在6脚与7脚之间串接电阻R4，同时保证电阻R3和R4的阻值相等，在功率放大器的5脚与1脚之间串接电阻R5，功率放大器的1脚串联电阻R7，电阻R7的另一端接地，功率放大器的1脚作为输出端。
改进的功率放大电路如下：
信号输入端串接电容C2，电容C2另一端串接由电阻R7和电容C4组成的并联电路，电阻另一端同时串接电阻R9、电阻R8与电容C3组成的串联电路、二极管D2正极、二极管D1负极和功率放大器4脚，电阻R9另一端接地，电容C3另一端同时并接二极管D2负极、二极管D1正极和功率放大器5脚，功率放大器5脚串接由电阻R6和电容C1组成的并联电路，电阻R6另一端接地，功率放大器5脚与1脚之间串接有电阻R5，功率放大器3脚同时串接正电源、电容C5和电解电容C7组成的并联电路，其中电解电容C7的正极与功率放大器3脚连接，电容C5另一端接地，功率放大器3脚与7脚之间串接有电阻R3，功率放大器3脚和1脚串接有二极管D4，其中二极管D4的正极与1脚相连，功率放大器6脚同时串接负电源、电容C6和电解电容C8组成的并联电路，其中电解电容C8的负极与功率放大器6脚连接，电容C6的另一端接地，功率放大器6脚与7脚之间串接有电阻R4，功率放大器6脚和1脚之间串接有二极管D3，其中二极管D3的负极与1脚相连，功率放大器2脚与1脚之间串接有电阻R1，功率放大器8脚与1脚之间串接有电阻R2，功率放大器1脚为信号输出端，同时在功率放大器的电源输入端加磁芯电感和TVS管以保护电路。
本发明的有益效果在于本发明的激磁信号发生器中的CPLD可编程逻辑控制部分可以实现对不同数据总线的兼容，采用DDS发生器产生信号，提高了激磁信号的精度和稳定性。设计一种“精密高速运算放大器+隔离型运算放大器+精密高速运算放大器”的隔离调理电路，其中第一个精密高速运算放大器提高了信噪比，起到了缓冲的作用，同时也防止负载变化对激励产生影响。隔离性运算放大器可以将前后级的电路完全隔开，其隔离电压可达1kV，保证输出信号不受共模电压的影响，同时消除共地带来的电磁干扰。第二个精密高速运算放大器主要是起到了有源滤波的作用，提高了输出能力，预推动信号功率的放大。同时，加入功率放大电路和功率保护措施，可以调整并保护电流大小，使其适应不同的激磁传感器，使用单片集成芯片，降低了线路的干扰。电路中四个二极管D1、D2、D3、D4组成钳位电路，防止电流的倒灌，消除了负载电压瞬时脉冲的影响，输入前端增加无源高频提升电路，抑制低频信号，提升高频信号以补偿运放的高频衰减，这样保证了信号电压的增益平坦。该功率放大电路提高了系统的可靠性，使工作时更加稳定。
附图说明
图1是本发明的宽频带激磁信号发生器的结构图。
图2是本发明的调理电路原理图。
图3是本发明的改进的功率放大电路。
图4是本发明放大器交流分析图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
该发明的设计方案是基于DDS发生器结合CPLD逻辑控制和数据总线接口技术的方法实现正弦宽频带激磁信号发生器。CPLD逻辑控制部分可以实现对不同数据总线的兼容，并进一步对DDS发生器进行配置。电路设计过程中，充分考虑了频率特性、抗干扰特性和阻抗特性，设计了一种独特的“精密高速运算放大器+隔离型运算放大器+精密高速运算放大器”的调理电路，使前、后级电路之间互不影响，满足宽频域内激磁信号在额定驱动能力下激磁信号的输出，提高了系统的适应性。同时，针对旋转变压器的感性负载特性，设计了功率防护电路，消除感性负载引起的电压瞬时脉冲倒灌的影响。提高了激磁信号的系统的稳定性和可靠性，降低了工程实现成本。
本发明设计的宽频带激磁信号发生器用于产生一个频率从400Hz到20kHz连续可调、幅度稳定的正弦波信号，经过功率放大电路后作为激磁信号输出，满足所有旋转变压器的测试激励信号的要求。
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。图1是本发明的宽频带激磁信号发生器的结构图，数据接口总线模块、CPLD逻辑控制模块、DDS发生器模块、调理电路模块和功率放大电路模块构成了主体结构。
本发明的宽频带激磁信号发生器包括CPLD逻辑控制模块)、DDS发生器模块、调理电路模块和功率放大电路模块，频率控制字通过数据接口总线设定，进入CPLD逻辑控制模块配置DDS发生器的工作频率，DDS发生器产生的信号依据设定的频率控制字，经过相位累加后通过DA接口输出可变频率的正弦波，然后正弦波信号进入调理电路模块进行调理滤波，最后经过功率放大电路模块，实现预定频率的激磁信号的输出。所述的调理电路模块按照“精密高速运算放大器+隔离型运算放大器+精密高速运算放大器”的电路设计，从DDS发生器输出的正弦波，通过一个精密高速运算放大器，进入一个隔离型运算放大器，再进入一个精密高速运算放大器，所述的精密高速运算放大器要求满足偏置电压<25μV，速度>8兆/秒，对该隔离型运算放大器的4个电源端均接入电感和电容组成的π型滤波器。
所述的CPLD逻辑控制模块兼容不同的数据总线，在实现对数据总线的控制的同时，实现控制DDS发生器的读写操作。
所述的DDS发生器模块，产生一个频率从400Hz到20kHz连续可调、幅度稳定的正弦波信号。
所述的功率放大电路模块为激磁信号电压有效值+26V、驱动电流2A，功率放大电路模块使用单片高压大功率放大器，所述的单片高压大功率放大器要求滿足工作电压>±50V，输出电流>1A；基本的功率放大电路是对功率放大器外接±42V双端电源电压，在输入端串接耦合电容C2，在该功率放大器的2脚与1脚之间串接电阻R1，8脚和1脚之间串接电阻R2，在功率放大器的3脚与7脚之间串接电阻R3，在6脚与7脚之间串接电阻R4，同时保证电阻R3和R4的阻值相等，在功率放大器的5脚与1脚之间串接电阻R5，功率放大器的1脚串联电阻R7，电阻R7的另一端接地，功率放大器的1脚作为输出端。由于旋转变压器的工作频率范围在400Hz到20kHz之间，而基本的功率放大电路达不到要求，需要进行改进。改进的功率放大电路搭建如下：
信号输入端串接电容C2，电容C2另一端串接由电阻R7和电容C4组成的并联电路，电阻R7另一端同时串接电阻R9、电阻R8与电容C3组成的串联电路、二极管D2正极、二极管D1负极和功率放大器4脚，电阻R9另一端接地，电容C3另一端同时并接二极管D2负极、二极管D1正极和功率放大器5脚，功率放大器5脚串接由电阻R6和电容C1组成的并联电路，电阻R6另一端接地，功率放大器5脚与1脚之间串接有电阻R5，功率放大器3脚同时串接正电源、电容C5和电解电容C7组成的并联电路，其中电解电容C7的正极与功率放大器3脚连接，电容C5另一端接地，功率放大器3脚与7脚之间串接有电阻R3，功率放大器3脚和1脚之间串接有二极管D4，其中二极管D4的正极与1脚相连，功率放大器6脚同时串接负电源、电容C6和电解电容C8组成的并联电路，其中电解电容C8的负极与功率放大器6脚连接，电容C6的另一端接地，功率放大器6脚与7脚之间串接有电阻R4，功率放大器6脚和1脚之间串接有二极管D3，其中二极管D3的负极与1脚相连，功率放大器2脚与1脚之间串接有电阻R1，功率放大器8脚与1脚之间串接有电阻R2，功率放大器1脚为信号输出端，同时在功率放大器的电源输入端加磁芯电感和TVS管以保护电路。
下面分别对DDS发生器模块、调理电路模块和功率放大电路模块进行详细介绍。
DDS发生器模块：本发明选取的AD9831是ADI公司的专业芯片，可以实现DDS和数字解调功能，本发明中使用它输出一个频率从400Hz到20kHz连续可调、幅度稳定的正弦波。对于AD9831电路设计，具体的实施细节如下：
1)供电电压：AD9831数据手册上标注是5V或3.3V供电均可，但实验验证用5V电源会烧坏芯片，所以选用3.3V电源芯片。
2)频率寄存器读写：AD9831内部有2个32位的频率寄存器FREQ0REG和FREQ0REG，用于设置频率控制字。考虑到AD9831的数据总线宽度只有16位，因此写频率寄存器的操作要分两次操作，即先写寄存器的低16位，再写其高16位，并且这两次操作的时间间隔没有固定限制。因为写频率寄存器的时候，是先写入到AD9831的“MPU Interface”，等到两次写操作完成之后才写入到内部的“并行寄存器”中，进而通过控制逻辑选择写入到对应的频率寄存器0或1中。
3)输出电阻：AD9831是输出电流型信号，因此要有一个输出电阻将其转化为电压信号。电阻值是依据输出电压要求合理选择，并且电阻尽量选择功率大的精密电阻，这样的输出更加精确稳定，为后续的设计和调试提供不少方便。
调理电路模块：电路设计过程中，充分考虑了频率特性、抗干扰特性和阻抗特性，设计了一种独特的“精密高速运算放大器+隔离型运算放大器+精密高速运算放大器”调理电路，实现输出400Hz到20kHz频谱纯净、频率可调、幅度稳定的正弦波。实施例选用“OP27电压跟随器—ISO124隔离运放—OP27电压跟随器”的电路设计，具体电路原理图如图2所示。
所述的调理电路为了得到频谱纯净的正弦波，调理电路对DDS发生器输出的波形进行隔离和滤波。DDS发生器输出的正弦波首先经过一个OP27运算放大器电压跟随器，对信号进行缓冲、防止负载变化对激励的影响，并实现与后级电路的阻抗匹配，然后经过一个精密隔离放大器ISO124，其中外围电路接入4个π型滤波器，这样使得前后级电路完全隔开，保证输出信号不受共模电压的影响，消除共地带来的电磁干扰，提高了系统频率抗干扰性能；然后再接一个OP27运算放大器电压跟随器，进行有源滤波，提高了输出能力，同时预推动信号功率的放大。其中OP27运算放大器和放大器ISO124都是外接±12V双端电源电压。
设计时对于滤波器和电路实际存在的电感L、电阻R、电容C等滤波元件都进行了电路仿真验证和电路模拟，以求整个系统在所需频率范围内的幅频特性曲线逼近一条直线。
功率放大电路模块
激磁信号是一个高电压、大电流的功率信号，一般的DDS电路都不能输出这样的功率信号，因此要通过设计一个功率放大信号电路来实现。针对旋转变压器这一类感性负载的应用领域，上电的瞬间会产生电压的瞬间脉冲，所以传统的功率放大电路并不能满足要求。图3为设计的功率放大电路，其中选用PA07A功率放大器。
电路的组成如下：信号输入端串接电容C2，电容C2另一端串接由电阻R7和电容C4组成的并联电路，电阻R7另一端同时串接电阻R9、电阻R8与电容C3组成的串联电路、二极管D2正极、二极管D1负极和功率放大器4脚，电阻R9另一端接地，电容C3另一端同时并接二极管D2负极、二极管D1正极和功率放大器5脚，功率放大器5脚串接由电阻R6和电容C1组成的并联电路，电阻R6另一端接地，功率放大器5脚与1脚之间串接有电阻R5，功率放大器3脚同时串接正电源、电容C5和电解电容C7组成的并联电路，其中电接电容C7的正极与功率放大器3脚连接，电容C5另一端接地，功率放大器3脚与7脚之间串接有电阻R3，功率放大器3脚和1脚串接有二极管D4，其中二极管D4的正极与1脚相连，功率放大器6脚同时串接负电源、电容C6和电解电容C8组成的并联电路，其中电接电容C8的负极与功率放大器6脚连接，电容C6的另一端接地，功率放大器6脚与7脚之间串接有电阻R4，功率放大器6脚和1脚之间串接有二极管D3，其中二极管D3的负极与1脚相连，功率放大器2脚与1脚之间串接有电阻R1，功率放大器8脚与1脚之间串接有电阻R2，功率放大器1脚为信号输出端。同时在功率放大器的电源输入端加磁芯电感和TVS管以保护电路。
在功率放大电路中，限流电阻R1和R2的选择和散热特性是需要特别注意的。随着温度的升高(环境和功放发热引起的)，功率放大器的输出电流会一直减小，如果限流电阻阻值选择过大，输出电流就会达不到要求；另一方面限流电阻阻值选择过小，又失去了限流的作用，会直接损坏功放芯片或者烧毁负载。当限流电阻为0.22Ω时能满足系统2A驱动电流的要求。由于旋转变压器的工作频率范围在400Hz到20kHz之间，功率放大电路需要有一定的增益，而且要保证在整个工作频率范围内增益稳定，而PA07功率放大器的驱动功率虽然大，但是重负载下的频率特性并不好，在驱动输出增益随输入信号的频率上升而逐渐下降，需要进行频率特性补偿。因此，在电路的输入前端接入由电容C2、电容C4、电阻R7和电阻R9组成的无源高频提升电路，抑制低频信号，提升高频信号以补偿运放的高频衰减。在PA07A功率放大器的输入端加入的两个二极管D1、D2，用于防止电流的倒灌，在输出端加两个保护的二极管D3、D4，并在电源输入±42V端加磁芯电感和TVS管的保护措施，可以消除感性负载引起的电压瞬时脉冲的影响。电容C3和电阻R8对放大器进行超前补偿，并加入电容C1防止PA07出现自激振荡。综合以上措施，通过图4放大器的交流分析可以看出在10Hz至40KHz的频率范围内，电压增益平坦。其中PA07功率放大器电源端接入±42V的电压，R1＝240mΩ，R2＝240mΩ，R3＝270kΩ，R4＝270kΩ，R5＝180kΩ，R6＝20kΩ，R7＝2.2kΩ，R8＝2kΩ，R9＝18kΩ，C1＝1.8nF，C2＝1uF，C3＝100nF，C4＝1nF，C5＝10nF，C6＝10nF，C7＝220uF，C8＝220uF。
PCI接口板卡的PCB布线，PCI总线协议规范有详细的要求，结合设计和验证的经历，以下是特别要注意的细节：电路板都采用四层板结构，四层板的PCI接口板更容易被计算机识别、性能更加稳定可靠，并且四层板也是符合PCI规范的。PCI接口信号线尽量等长，长度为1500±100mil最好，并且特别注意主时钟线要按照PCI规范要求，走蛇形线、长度在2500±100mil。
Claims (4)
1.一种宽频带激磁信号发生器，包括CPLD逻辑控制模块、DDS发生器模块、调理电路模块和功率放大电路模块，其特征在于：
频率控制字通过数据接口总线设定，进入CPLD逻辑控制模块配置DDS发生器的工作频率，DDS发生器产生的信号依据设定的频率控制字，经过相位累加后通过DA接口输出可变频率的正弦波，然后正弦波信号进入调理电路模块进行调理滤波，最后经过功率放大电路模块，实现预定频率的激磁信号的输出；
所述的调理电路模块按照“精密高速运算放大器+隔离型运算放大器+精密高速运算放大器”的电路设计，从DDS发生器输出的正弦波，通过一个精密高速运算放大器，进入一个隔离型运算放大器，再进入一个精密高速运算放大器，所述的精密高速运算放大器要求满足偏置电压<25μV，速度>8兆/秒，对该隔离型运算放大器的4个电源端均接入电感和电容组成的π型滤波器；
电路的组成如下：信号输入端串接电容C2，电容C2另一端串接由电阻R7和电容C4组成的并联电路，电阻R7另一端同时串接电阻R9、电阻R8与电容C3组成的串联电路、二极管D2正极、二极管D1负极和功率放大器4脚，电阻R9另一端接地，电容C3另一端同时并接二极管D2负极、二极管D1正极和功率放大器5脚，功率放大器5脚串接由电阻R6和电容C1组成的并联电路，电阻R6另一端接地，功率放大器5脚与1脚之间串接有电阻R5，功率放大器3脚同时串接正电源、电容C5和电解电容C7组成的并联电路，其中电接电容C7的正极与功率放大器3脚连接，电容C5另一端接地，功率放大器3脚与7脚之间串接有电阻R3，功率放大器3脚和1脚串接有二极管D4，其中二极管D4的正极与1脚相连，功率放大器6脚同时串接负电源、电容C6和电解电容C8组成的并联电路，其中电接电容C8的负极与功率放大器6脚连接，电容C6的另一端接地，功率放大器6脚与7脚之间串接有电阻R4，功率放大器6脚和1脚之间串接有二极管D3，其中二极管D3的负极与1脚相连，功率放大器2脚与1脚之间串接有电阻R1，功率放大器8脚与1脚之间串接有电阻R2，功率放大器1脚为信号输出端，同时在功率放大器的电源输入端加磁芯电感和TVS管以保护电路。
2.根据权利要求1所述的宽频带激磁信号发生器，其特征在于：
所述的CPLD逻辑控制模块兼容不同的数据总线，在实现对数据总线的控制的同时，实现控制DDS发生器的读写操作。
3.根据权利要求1所述的宽频带激磁信号发生器，其特征在于：
所述的DDS发生器模块，产生一个频率从400Hz到20kHz连续可调、幅度稳定的正弦波信号。
4.根据权利要求1所述的宽频带激磁信号发生器，其特征在于：
所述的功率放大电路模块为激磁信号电压有效值+26V、驱动电流2A，功率放大电路模块使用单片高压大功率放大器，采用PA07A功率放大器，所述的单片高压大功率放大器要求滿足工作电压>±50V，输出电流>1A；基本的功率放大电路是对功率放大器外接±42V双端电源电压，在输入端串接耦合电容C2，在该功率放大器的2脚与1脚之间串接电阻R1，8脚和1脚之间串接电阻R2，在功率放大器的3脚与7脚之间串接电阻R3，在6脚与7脚之间串接电阻R4，同时保证电阻R3和R4的阻值相等，在功率放大器的5脚与1脚之间串接电阻R5，功率放大器的1脚串联电阻R6，电阻R6的另一端接地，功率放大器的1脚作为输出端；
改进的功率放大电路如下：
信号输入端串接电容C2，电容C2另一端串接由电阻R7和电容C4组成的并联电路，电阻R7另一端同时串接电阻R9、电阻R8与电容C3组成的串联电路、二极管D2正极、二极管D1负极和功率放大器4脚，电阻R9另一端接地，电容C3另一端同时并接二极管D2负极、二极管D1正极和功率放大器5脚，功率放大器5脚串接由电阻R6和电容C1组成的并联电路，电阻R6另一端接地，功率放大器5脚与1脚之间串接有电阻R5，功率放大器3脚同时串接正电源、电容C5和电解电容C7组成的并联电路，其中电解电容C7的正极与功率放大器3脚连接，电容C5另一端接地，功率放大器3脚与7脚之间串接有电阻R3，功率放大器3脚和1脚串接有二极管D4，其中二极管D4的正极与1脚相连，功率放大器6脚同时串接负电源、电容C6和电解电容C8组成的并联电路，其中电解电容C8的负极与功率放大器6脚连接，电容C6的另一端接地，功率放大器6脚与7脚之间串接有电阻R4，功率放大器6脚和1脚之间串接有二极管D3，其中二极管D3的负极与1脚相连，功率放大器2脚与1脚之间串接有电阻R1，功率放大器8脚与1脚之间串接有电阻R2，功率放大器1脚为信号输出端，同时在功率放大器的电源输入端加磁芯电感和TVS管以保护电路。
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