無信號源的自激式激磁電源的原理及設(shè)計(jì) (采用維恩電橋振蕩器)

闡述了無信號源的、采用維恩電橋振蕩器直接實(shí)現(xiàn)功率輸出的激磁電源的設(shè)計(jì)思想和工作原理，以及核心器件OPA548的性能參數(shù)、電路穩(wěn)幅穩(wěn)頻措施和實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。介紹了通過反相疊加和LC串聯(lián)諧振提高電壓幅值的電源工作方式，使電路在±15v供電時(shí)能夠提供穩(wěn)定的36V／400Hz正弦波電壓，
關(guān)鍵詞：維恩電橋振蕩器；無信號源；OPA548；LC串聯(lián)諧振。

0 引言
??? 激磁電源是自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、感應(yīng)移相器等微特電機(jī)的必備供電電源，也是分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)模塊的主要電源之一，在慣導(dǎo)、雷達(dá)、自動跟蹤等自動化設(shè)備中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的激磁電源的設(shè)計(jì)，都是采用先設(shè)計(jì)正弦信號源，再經(jīng)過衰減或放大，然后進(jìn)行功率放大的模式。這種設(shè)計(jì)方式由于電路工作環(huán)節(jié)多，導(dǎo)致電路復(fù)雜、效率低、成本高，溫度穩(wěn)定性不好，可靠性下降。高電壓、大電流、小體積的功率運(yùn)算放大器的出現(xiàn)，為簡化激磁電源設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量提供了可行性。采用功率運(yùn)放直接組成維恩電橋振蕩電路，通過自激振蕩產(chǎn)生驅(qū)動功率足夠的正弦波。采用這種方式設(shè)計(jì)的激磁電源，不僅結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并且失真度小，具有穩(wěn)頻、穩(wěn)幅功能和良好的低溫漂性能。

1 直接振蕩式激磁電源電路組成及工作原理
??? 圖1是自激式激磁電源原理框圖，根據(jù)實(shí)際供電電壓的情況和負(fù)載的具體要求，可提供相同頻率的3種不同幅值的正弦波輸出?；诠β蔬\(yùn)放的維恩電橋振蕩器產(chǎn)生基本的正弦波輸出；經(jīng)過功率運(yùn)放反相后，從其輸出端和反相輸入端可得到幅值疊加為基本正弦波幅值2倍的頻率相同的正弦波輸出；對于感性負(fù)載，可通過串聯(lián)諧振電容，利用LC串聯(lián)諧振原理得到更高幅值的輸出。

1．1核心器件的選用
??? 構(gòu)成維恩電橋的功率運(yùn)算放大器作為激磁電源的核心器件，要求能適應(yīng)較寬的電源電壓范圍，并能輸出較大電流，具備良好的低溫漂特性。綜合考慮性能、體積參數(shù)，選用了BB公司的高電壓大電流功率運(yùn)放OPA548(TO-220-7封裝)，可單、雙電源供電，雙電源供電范圍為±4～±30V，連續(xù)工作輸出電流3A(峰值5A)，在環(huán)境溫度-40度～+85度范圍內(nèi)輸入電壓溫度漂移為±30μV／℃，并具備輸出使能控制、熱關(guān)斷保護(hù)、電流限制可調(diào)等功能。

1．2 振蕩器穩(wěn)幅穩(wěn)頻工作原理
??? 維恩電橋振蕩器及其反相驅(qū)動電路如圖2所示。振蕩頻率由R1、R4、C1、C3決定，基本不受功率運(yùn)算放大器本身和電源的影響。應(yīng)選用1／1000精度的金屬膜電阻和高性能的聚酯電容以保證頻率穩(wěn)定。自激振蕩器工作原理：運(yùn)算放大器并非理想器件，一旦電路上電，運(yùn)算放大器會產(chǎn)生輸出噪聲，通過反饋網(wǎng)絡(luò)R4、C3反饋至運(yùn)放的同相輸入端，成為輸入信號。由于正反饋?zhàn)饔茫纬烧艺袷?，并且振幅逐漸增大，直至接近電源電壓，輸出振幅達(dá)到飽和，通過調(diào)節(jié)可變電阻R3改變運(yùn)放增益，使輸出正弦波幅值達(dá)到所要求的范圍。

由巴克豪森判據(jù)可知AB=1是振蕩的臨界條件。其中

??? 因此，維恩電橋自激振蕩要滿足增益A>3的要求。

??? 0PA548有限流控制端，將該端通過限流電阻接到負(fù)電源端可以設(shè)置電流大小。限流電阻R1為

??? 式中：I為OPA548所限制的由R1決定的輸出電流(O???
??? 該振蕩電路采用雙向穩(wěn)壓二極管穩(wěn)幅方式，如圖2所示，D7為雙向穩(wěn)壓二極管，型號為2CW234．在運(yùn)放反饋輸入端接入以穩(wěn)定振幅。D7是穩(wěn)定正弦波幅度的關(guān)鍵器件，其自身的溫度穩(wěn)定性一定要好，應(yīng)選用工業(yè)級以上的低溫漂產(chǎn)品。經(jīng)實(shí)際檢測，其中頻率波動≤±lHz，電壓波動≤±1％，波形失真度≤l％。為了便于觀察電路是否起振，設(shè)計(jì)了LED振蕩指示電路。電路振蕩時(shí)，正弦波信號通過電阻Rs、電容C4驅(qū)動發(fā)光二極管D5發(fā)光。C4起隔直作用，保證電路未起振時(shí)D5為熄滅狀態(tài)。

1．3 反相輸出及LC串聯(lián)諧振
??? 功率正弦波振蕩器輸出電壓的幅值，與振蕩器供電電壓密切相關(guān)。通常自動控制系統(tǒng)使用的激磁電源有效值為36 v或26 v，若要產(chǎn)生有效值為36V的激磁電源，則正弦波的峰-峰值為使用單級運(yùn)放則至少需要±5l v的電源輸入范圍。

??? 如果使用±30v雙電源供電，由0PA548構(gòu)成的振蕩器最高可以提供有效值為21 v的激磁電源，經(jīng)過反相疊加后，可以提供有效值為26v或36 v的激磁電源。但對于只提供常規(guī)低電壓供電的系統(tǒng)，如±15 v供電的系統(tǒng)，就無法提供有效值為26v或36v的激磁電壓，這時(shí)可以采用LC串聯(lián)諧振的方式使電壓有效值升到36v，等效電路
如圖3所示。

??? 圖3中L是旋轉(zhuǎn)變壓器的電感，C是串聯(lián)電容，R是電路的總電阻，即R=RL+RC(RL和RC分別為電感元件和電容元件的電阻)；US為激磁電源，相當(dāng)于圖2中輸出1與輸出2之間輸出的激磁電源，ω為電源角頻率。電路輸入阻抗Z為

??? 完全諧振時(shí)，電感兩端電壓有可能超過額定電壓，可調(diào)節(jié)R3使輸出電壓有效值
為36V。

1．4電路保護(hù)措施
??? 理想狀態(tài)下，LC串聯(lián)諧振電路完全諧振時(shí)電感和電容兩端電壓大小相等，相位相反，互相抵消。但實(shí)際元件并不能使電路達(dá)到完全諧振狀態(tài)，那么功率運(yùn)放輸出端的電壓有可能在正弦峰值時(shí)超出電源電壓，損壞功率運(yùn)放。通過兩個(gè)鉗位二極管對低內(nèi)阻的電源放電，以防止意外的峰值電壓造成損壞。二極管采用超快恢復(fù)二極管，其連續(xù)電流應(yīng)大于功率運(yùn)放峰值電流，反向耐壓值應(yīng)至少為電源電壓的兩倍，電路設(shè)計(jì)中選用的是HER604(6A／300V)。]

2 應(yīng)注意的問題
??? 圖2中R2與R3的參數(shù)特別是溫度系數(shù)要一致，否則，在高溫和低溫時(shí)，有可能出現(xiàn)振蕩器不起振，或者振蕩波形失真的現(xiàn)象。電路調(diào)整完畢，R3的調(diào)整值最好換成相同阻值的固定金屬膜電阻，以減小阻值漂移引起激磁電源參數(shù)變化的可能性。穩(wěn)壓二極管對激磁電源電路的輸出電壓的穩(wěn)定性影響較大，需要選擇溫漂小的雙向穩(wěn)壓二極管，最好選用帶溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓二極管。這樣即使電源電路長期連續(xù)工作，其輸出的正弦波頻率及電壓參數(shù)以及波形失真度仍能滿足使用要求，保證應(yīng)用激磁電源的系統(tǒng)的精度。

3 結(jié)語
??? 無信號源的自激式激磁電源的設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)的激磁電源的設(shè)計(jì)理念，減少了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，簡化了電源結(jié)構(gòu)，降低了電路成本，提高了可靠性。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，能夠長期穩(wěn)定地工作，輸出電壓的頻率和幅值穩(wěn)定精度高。特別是功率運(yùn)放反相驅(qū)動和LC串聯(lián)諧振原理的應(yīng)用，使一套振蕩器電路可以同時(shí)輸出3種不同幅值的正弦波電壓，能夠滿足不同的使用需求。體積小，功能全，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。