一般說(shuō)來(lái)，工頻功率電源是由信號(hào)產(chǎn)生、功率放大、輸出控制三大部分組成。其中，信號(hào)發(fā)生電路是工頻功率電源的核心。它是用來(lái)產(chǎn)生多相正弦波信號(hào)，并完成對(duì)信號(hào)的頻率、相位和幅度的調(diào)節(jié)。
信號(hào)產(chǎn)生電路，既可以由模擬電路實(shí)現(xiàn)，電可以由數(shù)字電路產(chǎn)生。由模擬電路設(shè)計(jì)的電源稱為模擬信號(hào)源，由數(shù)字電路設(shè)計(jì)的電源稱為數(shù)字信號(hào)源。
1 模擬和數(shù)字信號(hào)源的區(qū)別
模擬信號(hào)源輸出頻率和相位可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)；可使輸出信號(hào)有很高的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是：相位及頻率的時(shí)間穩(wěn)定性差；調(diào)節(jié)相位時(shí)對(duì)幅度有影響；且頻率及相位無(wú)法直接顯示；電路調(diào)試?yán)щy，工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)程控。
數(shù)字信號(hào)源輸出幅度、頻率和相位的時(shí)間穩(wěn)定性好；調(diào)節(jié)相位時(shí)對(duì)幅度沒(méi)有影響；數(shù)字電路容易調(diào)試，工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與計(jì)算機(jī)接口方便，易實(shí)現(xiàn)程控。幅度、頻率和相位雖不能連續(xù)調(diào)節(jié)，但足以滿足實(shí)際需求，所以工頻功率電源多是數(shù)字信號(hào)源。
2 波形的分解與量化
要實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的數(shù)字化，首先把要得到的波形進(jìn)行分解和量化，然后再對(duì)分解和量化的波形進(jìn)行合成。即按順序?qū)⒉ㄐ蔚姆狄詳?shù)字信息存入存貯器，工作時(shí)，再以相同的順序取出相應(yīng)幅值，經(jīng)D／A電路變換成模擬量，輸出所需的各種波形，假設(shè)我們欲得到圖1(a)所示的正弦波。
如果在一個(gè)周期內(nèi)，將該正弦波等分成16段，即以n°=360°/16=22.5°為間隔分成16個(gè)點(diǎn)。在峰-峰幅值之間共分成土100個(gè)等級(jí)，16個(gè)點(diǎn)的量化等級(jí)即如圖1中所示；如在一個(gè)周期內(nèi)，將該正弦波等分成30段，即以n°=360°／30=12°為間隔分成30個(gè)點(diǎn)。在峰-峰幅值之間共分成±100個(gè)等級(jí)，30個(gè)點(diǎn)的量化等級(jí)即如圖1(b)所示。
很顯然，一個(gè)周期內(nèi)分解的點(diǎn)數(shù)以及幅度的量化級(jí)越多，波形越逼真。由此產(chǎn)生一個(gè)完整的正弦波所需的數(shù)據(jù)量就越
大。幅度量化的級(jí)數(shù)越多，設(shè)計(jì)電路時(shí)所需的D／A位數(shù)就越多，成本就越高，但D／A位數(shù)少時(shí)，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(huì)產(chǎn)生附加相移。
一般是根據(jù)相位的調(diào)節(jié)細(xì)度來(lái)選擇分解的點(diǎn)數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)的等級(jí)來(lái)選擇量化的級(jí)數(shù)。假如需要設(shè)計(jì)一個(gè)相位調(diào)節(jié)細(xì)度為1°，幅度調(diào)節(jié)細(xì)度為不大于0.5％的數(shù)字源。因?yàn)橄辔徽{(diào)節(jié)細(xì)度為1°，則可取360個(gè)點(diǎn)；8位D／A的量化等級(jí)為1／256=0.0039=0.39%<0.5％。即一個(gè)完整周期的正弦波分為360個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)的幅值用8位二進(jìn)制數(shù)表示，并且采用偏移二進(jìn)制數(shù)雙極性碼。所謂偏移二進(jìn)制雙極性碼，就是將自然二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)的模擬量平移后得到的，它將模擬量的零值移至與數(shù)字量80H相對(duì)應(yīng)。這樣，當(dāng)Sin90°=1時(shí)，量化值為FFH；sin180°=0時(shí)，量化值為80H；sin270°=-1時(shí)，量化值為00H。
另外，存貯該正弦波數(shù)據(jù)所需的存貯器容量為360×8位。
確定了上述波形信息，就可進(jìn)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(jì)數(shù)器依次送山ROM里的地址信息0～359。在地址信號(hào)作用下，依次取出存入ROM里的各點(diǎn)幅伉數(shù)據(jù)，并送入D／A。在D／A中把幅值的數(shù)字信息變?yōu)橄鄳?yīng)的模擬電流，經(jīng)運(yùn)算放大器將電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再通過(guò)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(yùn)放濾波電路如圖3所示。
圖中DAC0832是8位CMOS D／A芯片，的數(shù)字信號(hào)經(jīng)兩級(jí)鎖存，輸出的是電流信號(hào)，輸出電流與輸入的數(shù)字量NB的關(guān)系如式1所示
根據(jù)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(jìn)制數(shù)的關(guān)系，如表1所列。它符合偏移二進(jìn)制雙極性碼的姚律。
4 數(shù)字調(diào)幅
由式3可見(jiàn)，要改變輸出正弦波的幅度，只要改變形成波型的基準(zhǔn)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(shù)字量即可改變合成數(shù)字波形時(shí)的基準(zhǔn)電壓UREF。這樣也便于實(shí)現(xiàn)幅度的程控調(diào)節(jié)。至于D／A 2的位數(shù)，應(yīng)由輸出幅度的調(diào)節(jié)細(xì)度來(lái)決定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)細(xì)度較高時(shí)，D／A2的位數(shù)應(yīng)高一些，該例中調(diào)節(jié)細(xì)度為不大于0.5％，使劇DAC0832即可。
5 頻率合成
當(dāng)然，對(duì)于單相工頻電源來(lái)說(shuō)，要使頻率能在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且有很高的穩(wěn)定度，就要用到頻率合成技術(shù)。所謂頻率合成技術(shù)，就是將一個(gè)基準(zhǔn)頻率fo變換成一系列的新頻率fl=Nfo，并且這些新頻率的穩(wěn)定度要與基準(zhǔn)頻率相當(dāng)。根據(jù)頻率穩(wěn)定度及調(diào)節(jié)細(xì)度的要求來(lái)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的變頻電路；對(duì)于多相工頻電源來(lái)說(shuō)，還有數(shù)字移相電路，這里不再累述。
本文所闡述的主要足信號(hào)發(fā)生電路在工頻功率電源中的實(shí)現(xiàn)，其實(shí)該電路可實(shí)現(xiàn)任意的波形輸出，而且通過(guò)配合相應(yīng)的電路，可產(chǎn)生任意頻率和相位可調(diào)的波形。該電路原理的實(shí)現(xiàn)具有廣闊的應(yīng)用前景。