基于DSP的單相精密電源硬件設計

摘要：以TMS320V33為核心作為信號生成和處理元件，配以相應的外圍電路完成幅度、頻率、相位的控制、報警、顯示等一系列功能。由此設計的高精度電源具有精度高、速度快、穩定性高的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：DSP;單相精密電源;硬件

1.引言

各種電源在現代用電設備中正得到越來(lái)越多的應用，對精度的要求也越來(lái)越高，傳統的電源設計在有些領(lǐng)域很大程度上已不能滿(mǎn)足人們的需求。DSP 軟件編程靈活，自由度大，實(shí)時(shí)運算速度,數據處理能力高。本文以TMS320VC33 DSP為核心，設計一種處理速度和準確度都較高的單相精密電源，以滿(mǎn)足人們的實(shí)際需要。

2．電源信號的生成及控制

電源信號分為電壓信號和電流信號兩個(gè)，都是正弦波信號。同一時(shí)刻具有相同的頻率，不一定有相同的相位和幅度。我們首先設計電壓正弦波信號的生成。

離散正弦波的生成是通過(guò)每一個(gè)離散周期取得對應時(shí)刻改正弦波的幅值并輸出獲得的。第二種方法是讓函數y=sin(nT)把n從0到N-1的值都計算出來(lái)，在程序存儲器中建立一個(gè)表來(lái)存入這些數據。電流正弦波的生成原理和生成過(guò)程與電壓正弦波完全相同，只是因為相位原因而在同一時(shí)刻取表的值不同而已。

TMS320C3X的事件管理器有兩個(gè)32位通用的定時(shí)器模塊。每個(gè)定時(shí)器有兩種操作方式和內部和外部時(shí)鐘?？梢允褂枚〞r(shí)器模塊在指定的時(shí)間間隔向C3X或外部發(fā)信號或者記錄外部事件。它們可以作為獨立的時(shí)基工作，定時(shí)器中斷是一個(gè)內部中斷。其用途包括控制系統中捕獲周期的發(fā)生；為正交編碼器電路脈沖電路和捕捉單元的操作提供時(shí)間基準。為全比較單元和單比較單元及相關(guān)的PWM電路產(chǎn)生比較輸出等。每個(gè)通用定時(shí)器內核心部分是32位計數器，計數范圍為0~4294967296個(gè)脈沖。計數脈沖可以由內部時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻產(chǎn)生，可由外部引腳提供時(shí)鐘。由于本產(chǎn)品的頻率是可調的，可以用定時(shí)器來(lái)在一定的時(shí)間在ROM中取出各個(gè)點(diǎn)的正弦波值，也可以用外接器件來(lái)改變頻率。在這里我們采用后一種方法。原理是用8253的兩個(gè)計數通道來(lái)改變頻率，方框圖如圖1所示：由MC14060產(chǎn)生180HZ的時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)分頻后產(chǎn)生Nf的時(shí)鐘。由于要求的頻率要有精確到兩位小數，則8253的通道2的記數值設定為100。在本系統中我們取每周期離散點(diǎn)N=720，但是系統要求的相角精度為0.0 ，所以將兩個(gè)離散點(diǎn)之間的取數間隔定為5個(gè)計數周期。設期望正弦波頻率為f ,由8253的通道1作為反饋來(lái)得到精確的頻率值。在通道1記數完成的時(shí)候向DSP發(fā)出一個(gè)中斷信號，收到中斷后，DSP發(fā)送數據到電壓和電流的A/D轉換器，完成一個(gè)離散點(diǎn)的值。當通過(guò)鍵盤(pán)改變頻率時(shí)，只需要通過(guò)程序計算出一定的數值寫(xiě)入8253的通道0的記數即可達到改變頻率的目的。

圖1 頻率通道的方框圖

TMS320C33與其外圍芯片的接口。其指令可以對片內I/O寄存器和外部I/O端口進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，使用地址線(xiàn)的4位來(lái)訪(fǎng)問(wèn)I/O外圍芯片。I/O空間的地址分配可以借助于譯碼器件。74154是一個(gè)4到16位的譯碼器，由DSP的高地址作為輸入，DSP的I/O空間使能引腳控制譯碼器的使能引腳。其輸出作為DSP外圍芯片外圍引腳的使能端輸入。輸出與外圍芯片的片選相連，達到分配I/O空間的目的。

3. D/A轉換的硬件組成

用DSP生成并輸出的正弦波是離散的數字信號，要把它變成連續的模擬信號則需要經(jīng)過(guò)D/A轉換；要實(shí)現正弦電源信號的幅度可控，必須通過(guò)DSP改變D/A的參考電壓，參考電壓由DSP提供。本系統我們選用DAC083 D/A轉換器，由于DAC0832有兩個(gè)8位寄存器和一個(gè)8位D/A轉換器，而DSP輸出信號為16位。所以需要兩片DAC0832并聯(lián)。

電壓轉換包括電流D/A轉換的參考電壓D/A轉換與電壓D/A轉換的參考電壓D/A轉換，輸出電壓D/A轉換，電流D/A轉換的參考電壓D/A轉換與電壓D/A轉換的參考電壓D/A轉換基本相同，輸出電壓的D/A轉換和輸出電流的D/A轉換，他們的電路圖基本上是一致，只有寄存器的使能信號不相同。限于篇幅，在此只給出如圖3所示電源輸出的D/A轉換電路圖。DAC0832的數據線(xiàn)和DSP的數據限制接相連，當譯碼器選中 時(shí)，政弦波電壓信號輸入電壓D/A轉換器的輸入寄存器，接著(zhù)譯碼器選中 ，正弦波電流信號輸入電流D/A轉換器的輸入寄存器，然后譯碼器選中 ，電壓D/A轉換器和電流D/A轉換器的輸入寄存器同時(shí)把數據送入DAC寄存器，同時(shí)進(jìn)行D/A轉換。

圖3 電源輸出的D/A轉換電路

4. 電源信號的輸出與檢測

電源信號經(jīng)過(guò)D/A轉換和濾波后，再經(jīng)過(guò)前饋、反饋、PI調節器的電路后輸出電壓已經(jīng)達到很高的精度和穩定度，再經(jīng)過(guò)功放后，進(jìn)入系統輸出部分。在輸出部分，我們還要檢測電源信號來(lái)用于反饋補償。

4.1 電壓信號的輸出與檢測

電路如圖4，A點(diǎn)為運算放大器的輸出端，經(jīng)過(guò)多抽頭電流互感器可以分別得到380V、220V、60V的輸出電壓，電路互感器的三個(gè)抽頭分別用三個(gè)繼電器J380V、J220V、J60V與輸出端

相連，繼電器的閉合由DSP控制，即從鍵盤(pán)輸入命令，電壓輸出端即可輸出相應級別的電壓。

圖4 電壓信號的輸出與檢測

4.2 電流信號的輸出和檢測

電路如圖5，和電壓輸出的電路一樣，A點(diǎn)為功率放大器的輸出端，基于取得檢測信號Urf相同的原理，獲得檢測信號Irf，只是置位電阻阻值為0.15歐。通過(guò)電流互感器得到電流輸出，電流輸出再通過(guò)另一個(gè)電流互感器得到檢測信號。兩個(gè)電流互感器均為三個(gè)抽頭。三對抽頭分別經(jīng)過(guò)三個(gè)繼電器J1A、J5A、J10A連接，用于檢測的電流互感器的公共端即為電流輸出端。

圖5電流檢測補償電路

5 反饋放大和報警電路

為了保證電源輸出的精度，所以在D/A轉換和輸出之間設計了一個(gè)反饋和放大電路。同時(shí)在產(chǎn)品中，電源的輸出中不能出現電壓電路短路和電流電路開(kāi)路的情況。所以應該在電路添加

圖6 反饋放大、報警電路

報警電路，。報警電路要包括光報警和聲音報警。如圖6所示，電路分為三個(gè)部分：放大電路、報警電路和反饋電路。經(jīng)過(guò)D/A轉換和濾波后的連續平滑正弦波電源信號作為前饋信號的同時(shí)，經(jīng)過(guò)跟隨器與檢測信號Uwf（Iwf）經(jīng)反向跟其后的信號相加，它們的和通過(guò)一個(gè)PID調節器之后與前饋信號Un，檢測信號Urf（Irf）相加后輸入PI調節器，得到的值即為輸入放大電路的 U0。其中檢測信號Urf（Irf）經(jīng)過(guò)反向跟隨器后，得到輸入DSP的A/D轉換電路的信號。在電路中，需要檢測輸出電壓和電流來(lái)作為反饋信號，用來(lái)輸入DSP，來(lái)顯示幅度的。其原理圖如圖7所示：模擬開(kāi)關(guān)CD4051控制信號XF1的控制下不斷得對反饋回來(lái)的電壓和電流

圖7 電壓和電流反饋電路方框圖

進(jìn)行采樣，在相臨的兩個(gè)周期分別向AD7135輸入電壓和電流信號。模擬量輸入AD7135轉換為數字量，轉換完畢后，數據分5次輸出，共5位BCD碼即D5-D1與其對應，每當AD7135轉換完成的時(shí)候，向C33發(fā)送一個(gè)中斷脈沖，C33中斷一次，讀入一位BCD碼數據，在第五次中斷時(shí)，即最后一次數據采集完后，停止AD轉換。AD轉換的數據經(jīng)鎖存器后進(jìn)入DSP，并且在顯示器中分別顯示出來(lái)電壓和電流的值。

此外，為了分擔DSP的分析、管理等方面的任務(wù)，在系統設計時(shí)對專(zhuān)門(mén)負責與上位機通信的串行異步通信口也作了相應的擴展；為便于人機對話(huà)，還有振蕩器方式的時(shí)鐘電路，MAX811與DSP的接口的復位電路，鍵盤(pán)顯示電路等設計，限于篇幅，均略去。

6．結論

設計的單相高精度電源采用TMS320V33作為其信號生成和處理元件，并完成幅度、頻率、相位的控制、報警顯示等一系列任務(wù)。選用DAC0832作為D/A轉換模塊，分別把離散的DSP正弦輸出信號轉化為相應的模擬電壓信號和模擬電流信號，并使用PA03作為功率放大器件。由鍵盤(pán)和顯示器組成人機對話(huà)窗口。電源信號幅度、頻率、相位要求均通過(guò)鍵盤(pán)控制達成，頻率和相位完全由DSP產(chǎn)生的離散正弦信號控制，幅度值則由DSP控制，D/A轉換的參考電壓幅值和繼電器的閉合來(lái)達到要求。輸出電源信號的速度和精度除依賴(lài)于DSP的性能外，還與外圍器件存儲器、D/A轉換器、功率放大器和其它阻容模擬開(kāi)關(guān)電路有關(guān)。用兩片ADC0832擴展成16位并行D/A轉換以提高速度。采用低失調，小溫漂，寬輸入的OP07作為運算放大器，采用高精度、大功率、功耗小的PA03作為功率放大器。還設計了電流補償電路、PI調節電路以保證精度。應用該設計設計出的電源在實(shí)際應用中具有精度高、速度快、穩定性高特點(diǎn)。

參考文獻

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