基于PI调节的高稳定度交流信号源设计-论文.pdf

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1、第27卷第2期纺织高校基础科学学报Vo1．27。No．22014年6月BASICSCIENCESJOURNALOFTEXTILEUNIVERSITIESJun．。2O14文章编号：1006—8341(2014)02—0267—04基于PI调节的高稳定度交流信号源设计张骥，汤元会(1．西安工程大学党政办，陕西西安710048；2．陕西省计量科学研究院，陕西西安710065)摘要：针对常用的ADC芯片或单片机加DDS技术做信号源存在输出电压不能完全跟随参考基准的问题，提出了采用比例积分控制方式设计的闭环交流信号振幅控制系统，使交流输出电压幅度能完全跟随直流参考基准的稳定度．在交流电压源的基础

2、上配以电压／电流转换电路，可以得到一个性能良好的交流恒流源．测试结果表明，在输出电流为5A时，其交流电流稳定度达到5×10一．关键词：交流信号源；PI控制；电压中图分类号：TN86文献标识码：A0引言常规的交流信号源一般由ADC芯片加放大电路构成l_1]，也有采用以单片机为核心的数字频率合成技术(DDS)做信号源，还有基于复杂可编程逻辑电路(CPID)的信号发生电路[2]．ADC芯片加放大电路对输出信号的控制处于开环状态，输出电压取决于ADC芯片和参考电压基准，当后续放大电路、转换电路等出现温飘、干扰等情况时，会造成处于开环控制状态的输出电压波动，一般这种电路的输出稳定度在0．1．DDS

3、在对信号幅度的控制方面，采取了把输出电压做比例衰减后进行AD转换采样的方式，输入单片机，与设定值比较、计算，再通过D／A转换控制输出幅度，形成一个闭环控制司，但由于A／D和D／A转换都不可避免地存在整量化问题，有死区，因此输出值不能稳定不变．减小死区范围，需要增加A／D、D／A的位数，或闭环系统里的开环放大倍数k，但仍存在死区问题，而且闭环系统中不可避免存在一定的惯性环节，因此k值增大存在着系统稍有干扰，输出电压幅度就出现大幅振荡的问题．所以在实际电路中k值不能很高，输出电压做不到完全跟随直流基准．一般情况下，好的信号源输出稳定度可以达到0．02．而基于FPGA或CPLD的电路时采用有源

4、晶振作为激励，采用软件编程实现硬件功能口]．针对常用精密信号源存在的问题，本文采用模拟电路设计信号源及控制电路，这样的信号源失真度小，没有数字信号的高频=F扰．通过采用PI控制，交流信号源的稳定度可以很好地跟随直流参考基准的稳定度．1精密交流电压源设计1．1电路结构图1为高稳定度交流电压源的原理图．其中由运放A，A。组成二次积分电路，构成交流振荡发生器；A。组成线性检波电路，完成交直流转换；A组成有源积分和振幅控制电路．收稿日期：2013—06—12通讯作者：张骥(1978～)，男，山东省青岛市人，西安工程大学工程师．E—mail：zhgxx_2001@163．COrn268纺织高校基础

5、科学学报第27卷图1交流电压源原理图设A，A的输出电压分别为u，，为计算方便，取C一C。一—C，则A的输出电压u的拉氏传递函数为Ul(5)===U2(s)／Rl·1／C1S一(s)／R1CS，故A部分的传递函数为G1(s)一U1(s)／()=1／R1CS．(1)对运放A。部分的电路，设场效应管T的漏极D与源级s之间的等效电阻为R，根据运算放大器正、反向输入端电位相等的原则，可导出A。部分电路的拉氏传递函数(s)1U2(5)．1nR2+1／C2SC2SRT。GS一故A部分的增益传递函数G2㈤一一郦1·14-R啊TCS．(2)由式(1)，(2)，可得A，A的开环传递函数G=G1·G2㈤=1·

6、硒1·1+RTCS一面．(3)由式(3)，可分别画出RR，和R一R三种情况下的矢量轨迹图，如图2所示．ImImImL(一I，J。)Re(一1，。)Re／—■＼Re、厂”((一l一,j。)’‘＼＼、、-一(a)R2>r(b)R：<足，(c)R：=r图2交流信号源传递函数矢量轨迹图根据奈奎斯特判据可知，当RR时，曲线如图2(b)所示，包围(一1，J。)点，闭环系统不稳定，此时稍有扰动，其振幅不会收敛，而是越来越大，最后达到饱和状态．当R：一R时，曲线如图2(c)所示，

7、经过(一1，J。)点，这时电路处于临界状态，也就是其振荡幅度将保持不变．此时，信号源的开环传递函数为G(s)：1／R1R2C2S．(4)其振荡频率，厂一一———．：：．’(5)．为此，利用场效应管T的漏源电阻R在一定的范围内与控制栅极上所加负电压呈线性关系的特点，第2期基于PI调节的高稳定度交流信号源设计269通过控制栅极电压来调节等效电阻R．即在振幅偏低或起振阶段，幅度较小，此时控制场效应管栅极电压不能过低，使R