一種新型的交流電源信號發(fā)生器的設(shè)計

摘要：介紹了交流電源信號發(fā)生器的基本原理，闡述了國內(nèi)外有關(guān)交流電源信號發(fā)生器設(shè)計的基本方法，基于可編程邏輯器件(CPLD)設(shè)計實現(xiàn)了交流電源信號發(fā)生器，并給出了仿真及實驗波形。
關(guān)鍵詞：可編程邏輯器件；交流電源；信號發(fā)生器

交流電源是把輸入電源變換成在電壓、電流、頻率、波形以及在穩(wěn)定性、可靠性等方面符合要求的電能供給負(fù)載的電源變換器。輸入電源多為單相或三相交流，輸出量仍是交流電，含穩(wěn)壓、穩(wěn)流、穩(wěn)頻、不間斷供電等類型。在慣性測量系統(tǒng)中，交流電源廣泛用于陀螺儀表轉(zhuǎn)子電源、傳感器激勵、頻標(biāo)、電磁懸浮激勵等，是保障系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)電路。
交流電源信號發(fā)生器產(chǎn)生交流電源基準(zhǔn)信號，本文將針對某慣性平臺交流電源系統(tǒng)提出一種新型的信號發(fā)生器設(shè)計方案。

1 交流電源信號發(fā)生器指標(biāo)要求
交流電源一般由信號發(fā)生器、波形變換器、功率放大器、穩(wěn)幅回路組成，電路結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。

交流電源信號發(fā)生器是交流電源的核心部分，產(chǎn)生交流電源工作所需信號波形。針對某慣性平臺交流電源系統(tǒng)，需要產(chǎn)生以下信號：
信號1：頻率256 kHz，占空比50％，5 VTTL信號；
信號2：頻率16kHz，占空比50％，5VTTL信號；
信號3：頻率8kHz，占空比50％，5VTTL信號；
信號4：頻率4kHz，占空比50％，5 VTTL信號；
信號5：頻率2kHz，占空比50％，5VTTL信號；
信號6～信號8：頻率1 kHz，占空比50％，5 VTTL信號，相位差120°；
頻率穩(wěn)定度：1／106；
頻率精度：1／103。

2 基于CPLD的交流電源信號發(fā)生器電路設(shè)計
2．1 常規(guī)信號發(fā)生電路設(shè)計方法
常規(guī)的信號發(fā)生電路設(shè)計方法有振蕩器加整形方式、單片微處理器軟件編程、晶振加鎖相式頻率合成技術(shù)(PLL)等若干種方法。
振蕩方式(例如文式振蕩橋電路)是最為常見的一種信號產(chǎn)生方式，對于LC和RC信號產(chǎn)生器，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計頻率選擇電路中的電感、電容或電阻的數(shù)值，信號產(chǎn)生器就可方便的產(chǎn)生所要求工作頻率的信號，但該方式電路的頻率穩(wěn)定性不高，通常僅為10-3量級；
單片微處理器軟件編程方式可以大大簡化電路結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)功耗、制作成本和調(diào)試時間，靈活性高，但該方式輸出信號的頻率較低，輸出信號頻率的調(diào)整精度也較低；
晶振作激勵應(yīng)用鎖相式頻率合成技術(shù)，使信號輸出達到了晶振的頻率穩(wěn)定度，具有較寬的頻率可調(diào)范圍，但電路復(fù)雜，實現(xiàn)難度較大。
常規(guī)的交流信號發(fā)生電路要么電路簡易，但精度難以達到要求；要么精度較高，電路較復(fù)雜，難以在電路結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)方面達到最優(yōu)。基于復(fù)雜可編程邏輯電路(CPLD)的陀螺信號發(fā)生電路較好的解決了上述問題，有源晶振作為激勵，采用軟件編程實現(xiàn)了硬件功能，具有電路簡單、精度及溫漂取決于晶振質(zhì)量、可靠性較高、易移植等優(yōu)勢。
2．2 基于CPLD的交流電源信號發(fā)生器的實現(xiàn)
(1) CPLD簡介及其設(shè)計流程
可編程邏輯器件隨著微電子制造工藝的發(fā)展取得了長足的進步。從早期的只能存儲少量數(shù)據(jù)，完成簡單邏輯功能的可編程只讀存儲器(PROM)、紫外線可擦除只讀存儲器(EPROM)和電可擦除只讀存儲器(E2PROM)，發(fā)展到能完成中大規(guī)模的數(shù)字邏輯功能的可編程陣列邏輯(PAL)和通用陣列邏輯(GAL)，今天已經(jīng)發(fā)展成為可以完成超大規(guī)模的復(fù)雜組合邏輯與時序邏輯的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，新一代的FPGA將集成中央處理器(CPU)或數(shù)字處理器(DSP)內(nèi)核，為實現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)(SOPC)提供強大硬件支持。
本文采用Altera公司MAX7000系列EPM7128STI100，它有128個邏輯單片(LE)、5VTTL I／O電平標(biāo)準(zhǔn)、84個I／O、TOFP-100封裝，采用Quar tus II軟件進行設(shè)計輸入、綜合、布局布線、仿真、編程和配置，采用707廠J-ZPB-26-16．384M-5型16．384MHz軍品級晶振作為時序基準(zhǔn)，芯片背板大面積“覆地”，芯片電源腳和地之間并聯(lián)0．1μF／0603高頻去耦電容，硬件框圖如圖2所示。