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[1]。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[2]。

　　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256kHz，占空比50﹪，5VTTL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﹪，5VTTL信號；

　　信號5：頻率2kHz，占空比50﹪，5VTTL信號；

　　信號6～信號8：頻率1kHz，占空比50﹪，5VTTL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[3]、單片微處理器軟件編程[4][5]、晶振加鎖相式頻率合成技術(shù)（PLL）[6]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)�；�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[7]。

　　本文采用Altera公司MAX7000系列EPM7128STI100，它有128個邏輯單片（LE）、5VTTLI/O電平標(biāo)準(zhǔn)、84個I/O、TQFP-100封裝，采用QuartusII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。

　�。�2）應(yīng)用CPLD設(shè)計交流電源信號發(fā)生器

　　基于CPLD設(shè)計交流電源信號發(fā)生器，采用有源晶振16.384MHz作為頻率參考，設(shè)計分頻器進行32分頻，分頻信號通過計數(shù)器再2分頻同時占空比調(diào)整為50%，即可得到256kHz信號1輸出；信號1通過計數(shù)器再16分頻，即可得到16kHz信號2輸出；信號2通過計數(shù)器再2分頻，即可得到8kHz信號3輸出；同樣的道理可以得到4KHz信號4輸出、2kHz信號5輸出。電路實現(xiàn)框圖如圖3所示。

　　電路要求1kHz三相120°輸出，需要先得到6kHz頻率，后再6次分頻每次分頻三相有對應(yīng)的電平輸出�；鶞�(zhǔn)頻率16.384MHz分頻2731次可以得到5.999kHz，再6分頻可到0.9998779kHz，頻率精度理論值為1.2×10-4，電路實現(xiàn)框圖如圖4所示。

　�。�3）仿真及實驗結(jié)果

　　1kHz、2kHz和4kHz實驗波形如圖5所示，8kHz、16kHz和256kHz實驗波形如圖6所示，三相1kHz波形如圖7所示。

　　從圖7可以看出三路輸出信號相位相差120°，頻率為999.875Hz頻率精度為1.25×10-4。

　　3解決的關(guān)鍵問題

　　3.2三相信號設(shè)計

　　信號1～信號5為晶振頻率基準(zhǔn)16.384MHz的整數(shù)倍，分頻占空比調(diào)整信號頻點理論誤差為0，信號6～信號8要求1kHz相差120°輸出。1個周期T為360°細(xì)分6段每段為60°，以60°為間隔三相信號輸出對應(yīng)不同的邏輯電平，即可得到120°相差的信號，電路實現(xiàn)原理圖如圖10所示。從圖10可以看出將晶振基準(zhǔn)頻率16.384MHz進行2371次分頻看得到6kHz作為移相輸入頻率，移相間隔為1kHz，在1個計數(shù)周期T即6kHz內(nèi)，信號6～信號8對應(yīng)邏輯電平輸出見表1。

　　電路仿真波形如圖11所示，實驗波形見圖7。

　　3.3高精度分頻器設(shè)計

　　電路信號輸出精度要求小于10-3，信號1～信號5均為基準(zhǔn)頻率的整數(shù)倍分頻精度均有滿足要求，信號6～信號8采用整數(shù)倍2731次分頻精度可達1.2×10-4，雖也滿足指標(biāo)要求，但在高溫和低溫情況下隨著基準(zhǔn)頻率的溫漂精度出現(xiàn)了臨界情況。為了有效解決1kHz頻率精度的問題，需要設(shè)計高精度的分頻器，設(shè)計了2730.5次分頻，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。

　　從圖12可看出將基準(zhǔn)頻率分頻2730.5次得到6.000366kHz經(jīng)過相移電路可以得到三相信號頻率為1.000061kHz，頻率精度為6.1×10-5。由上可以看出，設(shè)計半整數(shù)分頻器比整數(shù)分頻器得到的信號頻率精度高出一個數(shù)量級，實驗證明在高低溫情況下，電特性完全滿足指標(biāo)要求。

　　4結(jié)束語

　　本電路采用一片CPLD（16×16mm）實現(xiàn)了2730.5分頻器、32分頻器、三個16位計數(shù)器、一個6分頻器、一個邏輯分配器的功能，只占用了該芯片69﹪的邏輯資源和36﹪的輸入/輸出口（I/O口）。

　　本文詳細(xì)闡述了交流電源信號發(fā)生器的工作原理及其在系統(tǒng)中的功能，介紹了常規(guī)的信號發(fā)生裝置的設(shè)計方法，并比較了其優(yōu)劣勢。采用可編程邏輯器件設(shè)計了交流電源信號發(fā)生器，這種新型方法具有信號輸出精度高、抗干擾能力強、體積小、設(shè)計修改方便、成本較低等優(yōu)勢，為其他相似電路的設(shè)計提供了參考。

　　參考文獻

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　　[3]袁同力.軍用陀螺專用混合集成電路[J].電子元件與材料，2002，（1）：28-29.

　　[4]齊興昌.機載陀螺電源的小型化設(shè)計[J].微計算機應(yīng)用，2005（6）：736-738.

　　[5]譚為民.高品質(zhì)多路交流電源的研制[J].兵工自動化，2002（5）：55-57.

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