基于fpga的多功能壓電泵驅(qū)動(dòng)電源的制作方法
【專利摘要】一種基于FPGA的多功能壓電泵驅(qū)動(dòng)電源，本實(shí)用新型的目的是提供可實(shí)現(xiàn)兩路正弦波輸出，其輸出頻率、幅值（峰峰值）和相位均可調(diào)節(jié)的基于FPGA的多功能壓電泵驅(qū)動(dòng)電源及驅(qū)動(dòng)方法。本實(shí)用新型是由輸入回路、前級(jí)AC-DC模塊、前級(jí)PWM調(diào)壓模塊、兩路DC-AC功率模塊、控制及驅(qū)動(dòng)模塊組成。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：可輸出兩路正弦波，并且其幅值（峰峰值）、頻率和相位均可調(diào)，其中幅值（峰峰值）可調(diào)范圍為80～350V，步進(jìn)為1V，頻率可調(diào)范圍為50～800Hz，步進(jìn)為1Hz，相位可調(diào)范圍為0～360°，步進(jìn)為1°；可擴(kuò)展性強(qiáng)，只要在DC-AC功率模塊中再加一路或兩路逆變橋，在控制模塊中加上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，修改一下程序，就可以設(shè)計(jì)出3路、4路輸出的驅(qū)動(dòng)電源；可通過監(jiān)控軟件和按鍵同時(shí)控制其輸出，不連接監(jiān)控軟件時(shí)可用按鍵獨(dú)立操作，具有友好的操作界面，監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)保存輸出參數(shù)；采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)各模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和制板，以減小模塊間電磁干擾。
【專利說明】基于FPGA的多功能壓電泵驅(qū)動(dòng)電源【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電源領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電泵是近年來開發(fā)的一種新型泵，是壓電驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)重要分支。它以其獨(dú)特的工作方式和特殊的性能日益受到各國學(xué)者的廣泛重視，因此世界各國都競相開展對(duì)壓電泵驅(qū)動(dòng)電源的研究。現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電源大多采用高壓運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓放大、功率放大或兩者組合式驅(qū)動(dòng)電源，其具有靜態(tài)性能好、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但其輸出電流小，動(dòng)態(tài)性能受到限制，并且高壓運(yùn)算放大器普遍價(jià)格偏高，不利于實(shí)際應(yīng)用。目前學(xué)者研究的壓電泵驅(qū)動(dòng)電源，也大多集中在單路輸出，雖然頻率和幅值(峰峰值)均可調(diào)節(jié)，但相位無法調(diào)節(jié)。對(duì)于具有兩個(gè)或兩個(gè)以上腔體的多腔泵，由于其需要各腔驅(qū)動(dòng)電源相位有一定差值，目前現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電源就不能滿足要求了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供可實(shí)現(xiàn)兩路正弦波輸出，其輸出頻率、幅值(峰峰值)和相位均可調(diào)節(jié)的基于FPGA的多功能壓電泵驅(qū)動(dòng)電源。
[0004]本發(fā)明是由輸入回路、前級(jí)AC-DC模塊、前級(jí)PWM調(diào)壓模塊、兩路DC-AC功率模塊、控制及驅(qū)動(dòng)模塊組成，
[0005]輸入回路:P2為電源輸入端，輸入端P2與輸出端AC_220H、AC_220L間有保險(xiǎn)絲F1、功率型NTC熱敏電阻RT1、薄膜電容C101、C102、C103、C104、共模電感L_power，電容C101、C102、C103、C104和電感L_power構(gòu)成低通濾波器；
[0006]供電模塊:通過AC_220H、AC_220L與輸入回路連接，設(shè)置有電源變壓器AC_DC_T1、整流橋AC-DC_D1、集成穩(wěn)壓芯片AC-DC_U1、穩(wěn)壓二級(jí)管AC_DC_D2、集成穩(wěn)壓芯片AD_DC_U2和AC-DC_U3、六個(gè)用于濾波的電解電容、用于限流的電阻AC-DC_R1、用于電源指示燈的發(fā)光二極管LED ；
[0007]前級(jí)AC-DC模塊的整流和功率因數(shù)校正回路:其輸入端的兩個(gè)接線端分別接輸入回路的輸出端的AC_220H、AC_220L，其電源輸入端接供電模塊的直流輸出端；
[0008]前級(jí)PWM調(diào)壓模塊:對(duì)應(yīng)于PWM調(diào)壓模塊和反饋回路，MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片Ul的電源輸入端VDD接輸入電路的輸出端，其輸入引腳INA接FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA通過電阻R3后接MOSFET的控制端；T1為變壓器；輸入電壓VIN為功率因數(shù)校正電路；電阻R1、電容Cl和快速恢復(fù)二級(jí)管Dl構(gòu)成變壓器一次測的放電回路；變壓器副邊的輸出電壓經(jīng)過快速恢復(fù)二級(jí)管D2整流和電容C4、C5及扼流圈LI濾波后作為模塊的輸出直流電壓；電容C3和電阻R2構(gòu)成快速恢復(fù)二級(jí)管D2的保護(hù)回路；電阻R6~R9構(gòu)成反饋回路；VFB接C8051F340的模擬信號(hào)輸入引腳；最小系統(tǒng)電路C8051F340:C8051F340的引腳P0.0,P0.1作為串口 I的輸入輸出引腳，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232后連接到DB9接口上；P0.4、P0.5為串口 O的輸入輸出引腳，分別連接到FPGA的串口輸出輸入引腳上；P1.0~Pl.5為六個(gè)按鍵的輸入端口 ；P1.7接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的電壓反饋信號(hào)VFB ；P2.0?P2.2接第二路逆變橋的電流、電壓、溫度反饋信號(hào)；P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆變橋的電壓、溫度、電流反饋信號(hào)；P2.4、P2.7接D5、D6指示燈；P3.0?P3.7接12864液晶屏的數(shù)據(jù)端串口中，P4.1?P4.6接12864液晶屏的各控制端口 ；C2D、C2CK為C2接口，連接到了 JK2端口 ；
[0009]按鍵、串口通信、穩(wěn)壓及液晶接口電路:按鍵電路的SI?S6按鍵通過KEYl?KEY6與C8051F340的KEYl?KEY6分別相連；U8為電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，Jl為DB9接口 ；U9為穩(wěn)壓芯片，由U9組成的穩(wěn)壓電路為C8051F340單片機(jī)供電；液晶顯示屏IXD接C8051F340單片機(jī)的P3 口，P41?P46與C8051F340單片機(jī)P41?P46相連；
[0010]FPGA系統(tǒng):PWM引腳接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的PWM輸入引腳，SPWM1_A?SPWM2_D為兩路SPWM輸出引腳，分別接兩路DC-AC逆變橋，RXO、TXO為串口輸入輸出引腳，接C8051F340單片機(jī)的TXO、RXO引腳；
[0011]第一路驅(qū)動(dòng)電路:U1的SPWM波輸入端HLN、LIN均加入了由三級(jí)管Q1、Q2和電阻R15、R16 組成的互鎖電路；U2 與此同理；SPWM1_A、SPWM1_B 'SPmiLCSPWMlD 接 FPGA 系統(tǒng)的四個(gè)SPWM輸出引腳，即FPGA系統(tǒng)中的SPWM1_A?SPWM1_D引腳；SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02通過排線接到兩路DC-AC功率模塊第一路逆變橋的四個(gè)MOSFET ；U5為比較器LM393，其輸入信號(hào)為第一路逆變橋的電流反饋信號(hào)IFB_1，信號(hào)進(jìn)入IR2110的過電流信號(hào)輸入引腳SD引腳，電壓反饋信號(hào)VFBl經(jīng)過限流電阻后進(jìn)入C8051F340的模擬信號(hào)采集引腳，溫度反饋信號(hào)TFBl經(jīng)電阻分壓、限流后也進(jìn)入C8051F340的模擬信號(hào)采集引腳，即 C8051F340 中的 SPWM1_VFB、SPWM1_TFB 引腳；
[0012]第二路驅(qū)動(dòng)電路與第一路相同；
[0013]第一路DC-AC逆變橋=DC-AC逆變橋中端口 P3通過排線連接到第一路驅(qū)動(dòng)電路P3端口 ；輸入電壓VIN接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的輸出電壓Vout，輸入電壓經(jīng)過電容Cl、C2濾波后進(jìn)入逆變橋；第一路逆變橋SPWM輸入信號(hào)SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02連接到第一路驅(qū)動(dòng)電路中Ul、U2的對(duì)應(yīng)輸出引腳；VFB_1為電壓反饋信號(hào)，經(jīng)過R13、R14、R15、C6、C7進(jìn)入單片機(jī)C8051F340的AD輸入引腳；TFB_1為溫度反饋信號(hào)；P5端口輸出的為第一路正弦波電壓；
[0014]第二路DC-AC逆變橋與第一路相同。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0016]1、可輸出兩路正弦波，并且其幅值(峰峰值)、頻率和相位均可調(diào)，其中幅值(峰峰值)可調(diào)范圍為80?350V，步進(jìn)為IV，頻率可調(diào)范圍為50?800Hz，步進(jìn)為IHz，相位可調(diào)范圍為O?360°，步進(jìn)為1° ；
[0017]2、可擴(kuò)展性強(qiáng)，只要在DC-AC功率模塊中再加一路或兩路逆變橋，在控制模塊中加上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，修改一下程序，就可以設(shè)計(jì)出3路、4路輸出的驅(qū)動(dòng)電源；
[0018]3、可通過監(jiān)控軟件和按鍵同時(shí)控制其輸出，不連接監(jiān)控軟件時(shí)可用按鍵獨(dú)立操作，具有友好的操作界面，監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)保存輸出參數(shù)；
[0019]4、采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)各模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和制板，以減小模塊間電磁干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】[0020]圖1是本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電源總體結(jié)構(gòu)框圖；
[0021]圖2是本發(fā)明輸入回路電路圖；
[0022]圖3是本發(fā)明供電模塊電路圖；
[0023]圖4是本發(fā)明前級(jí)PWM調(diào)壓模塊電路圖；
[0024]圖5是本發(fā)明C8051F340最小系統(tǒng)電路圖；
[0025]圖6是本發(fā)明按鍵、串口、穩(wěn)壓及液晶接口電路圖；
[0026]圖7是本發(fā)明FPGA最小系統(tǒng)接口圖；
[0027]圖8是本發(fā)明第一路驅(qū)動(dòng)電路；
[0028]圖9是本發(fā)明第一路DC-AC逆變橋；
[0029]圖10是本發(fā)明上位機(jī)監(jiān)控軟件；
[0030]圖11是本發(fā)明C8051F340程序流程圖；
[0031]圖12是本發(fā)明FPGA程序流程圖；
[0032]圖13是本發(fā)明上位機(jī)監(jiān)控軟件程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本發(fā)明是由輸入回路、前級(jí)AC-DC模塊、前級(jí)PWM調(diào)壓模塊、兩路DC-AC功率模塊、控制及驅(qū)動(dòng)模塊組成，
[0034]電源經(jīng)過保護(hù)回路和低通濾波回路組成的輸入回路進(jìn)入，然后分為兩路，其中一路經(jīng)過降壓、整流、穩(wěn)壓和濾波組成的供電模塊后產(chǎn)生低壓直流電，為系統(tǒng)中的低壓芯片供電；另一路經(jīng)過整流后進(jìn)入功率因數(shù)校正回路，從而實(shí)現(xiàn)390V直流電壓的輸出，并且提高了電源的功率因數(shù)，其輸出的390V直流電壓進(jìn)入前級(jí)PWM調(diào)壓模塊進(jìn)行調(diào)壓；
[0035]C8051F340與電腦(PC)間和與FPGA間均采用串口通信，C8051F340接收按鍵信號(hào)和驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示，根據(jù)液晶屏上的提示，通過按鍵來設(shè)置最終輸出正弦波電壓的頻率、幅值、相位及控制電源的啟動(dòng)和停止；C8051F340利用其內(nèi)部的AD模塊對(duì)兩路DC-AC功率模塊的反饋信號(hào)和前級(jí)PWM高壓模塊的反饋信號(hào)采樣，并將采樣結(jié)果通過串口傳遞給FPGA，實(shí)現(xiàn)輸出的閉環(huán)控制；FPGA輸出的PWM波作用于PWM調(diào)壓模塊，輸出的SPWM波通過驅(qū)動(dòng)電路后作用于兩路DC-AC功率模塊；
[0036]PWM調(diào)壓模塊的輸出為直流電壓，輸出連接到了兩路DC-AC功率模塊，作為待逆變的電壓；兩路DC-AC功率模塊具有兩路逆變橋，可輸出兩路正弦波；上位機(jī)監(jiān)控軟件運(yùn)行在電腦上，通過軟件界面操作實(shí)現(xiàn)與按鍵同樣的功能，其指令通過電腦的串口傳遞給C8051F340，從而實(shí)現(xiàn)控制操作，同時(shí)軟件界面可對(duì)輸出波形進(jìn)行監(jiān)控；
[0037]輸入回路:P2為電源輸入端，輸入端P2與輸出端AC_220H、AC_220L間有保險(xiǎn)絲F1、功率型NTC熱敏電阻RT1、薄膜電容C101、C102、C103、C104、共模電感L_power，電容C101、C102、C103、C104和電感L_power構(gòu)成低通濾波器；
[0038]供電模塊:通過AC_220H、AC_220L與輸入回路連接，設(shè)置有電源變壓器AC_DC_T1、整流橋AC-DC_D1、集成穩(wěn)壓芯片AC-DC_U1、穩(wěn)壓二級(jí)管AC_DC_D2、集成穩(wěn)壓芯片AD_DC_U2和AC-DC_U3、六個(gè)用于濾波的電解電容、用于限流的電阻AC-DC_R1、用于電源指示燈的發(fā)光二極管LED ；
[0039]前級(jí)AC-DC模塊的整流和功率因數(shù)校正回路:其輸入端的兩個(gè)接線端分別接輸入回路的輸出端的AC_220H、AC_220L，其電源輸入端接供電模塊的直流輸出端；
[0040]前級(jí)PWM調(diào)壓模塊:對(duì)應(yīng)于PWM調(diào)壓模塊和反饋回路，MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片Ul的電源輸入端VDD接輸入電路的輸出端，其輸入引腳INA接FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA通過電阻R3后接MOSFET的控制端；T1為變壓器；輸入電壓VIN為功率因數(shù)校正電路；電阻R1、電容Cl和快速恢復(fù)二級(jí)管Dl構(gòu)成變壓器一次測的放電回路；變壓器副邊的輸出電壓經(jīng)過快速恢復(fù)二級(jí)管D2整流和電容C4、C5及扼流圈LI濾波后作為模塊的輸出直流電壓；電容C3和電阻R2構(gòu)成快速恢復(fù)二級(jí)管D2的保護(hù)回路；電阻R6?R9構(gòu)成反饋回路；VFB接C8051F340的模擬信號(hào)輸入引腳；最小系統(tǒng)電路C8051F340:C8051F340的引腳P0.0,P0.1作為串口 I的輸入輸出引腳，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232后連接到DB9接口上；P0.4、P0.5為串口 O的輸入輸出引腳，分別連接到FPGA的串口輸出輸入引腳上；P1.0?Pl.5為六個(gè)按鍵的輸入端口 ；P1.7接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的電壓反饋信號(hào)VFB ；P2.0?P2.2接第二路逆變橋的電流、電壓、溫度反饋信號(hào)；P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆變橋的電壓、溫度、電流反饋信號(hào)；P2.4、P2.7接D5、D6指示燈；P3.0?P3.7接12864液晶屏的數(shù)據(jù)端串口中，P4.1?P4.6接12864液晶屏的各控制端口 ；C2D、C2CK為C2接口，連接到了 JK2端口 ；
[0041]按鍵、串口通信、穩(wěn)壓及液晶接口電路:按鍵電路的SI?S6按鍵通過KEYl?KEY6與C8051F340的KEYl?KEY6分別相連；U8為電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，Jl為DB9接口 ；U9為穩(wěn)壓芯片，由U9組成的穩(wěn)壓電路為C8051F340單片機(jī)供電；液晶顯示屏IXD接C8051F340單片機(jī)的P3 口，P41?P46與C8051F340單片機(jī)P41?P46相連；
[0042]FPGA系統(tǒng):PWM引腳接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的PWM輸入引腳，SPWM1_A?SPWM2_D為兩路SPWM輸出引腳，分別接兩路DC-AC逆變橋，RXO、TXO為串口輸入輸出引腳，接C8051F340單片機(jī)的TXO、RXO引腳；
[0043]第一路驅(qū)動(dòng)電路:U1的SPWM波輸入端HLN、LIN均加入了由三級(jí)管Q1、Q2和電阻R15、R16 組成的互鎖電路；U2 與此同理；SPWM1_A、SPWM1_B 'SPmiLCSPWMlD 接 FPGA 系統(tǒng)的四個(gè)SPWM輸出引腳，即FPGA系統(tǒng)中的SPWM1_A?SPWM1_D引腳；SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02通過排線接到兩路DC-AC功率模塊第一路逆變橋的四個(gè)MOSFET ；U5為比較器LM393，其輸入信號(hào)為第一路逆變橋的電流反饋信號(hào)IFB_1，信號(hào)進(jìn)入IR2110的過電流信號(hào)輸入引腳SD引腳，電壓反饋信號(hào)VFBl經(jīng)過限流電阻后進(jìn)入C8051F340的模擬信號(hào)采集引腳，溫度反饋信號(hào)TFBl經(jīng)電阻分壓、限流后也進(jìn)入C8051F340的模擬信號(hào)采集引腳，即 C8051F340 中的 SPWM1_VFB、SPWM1_TFB 引腳；
[0044]第二路驅(qū)動(dòng)電路與第一路相同；
[0045]第一路DC-AC逆變橋=DC-AC逆變橋中端口 P3通過排線連接到第一路驅(qū)動(dòng)電路P3端口 ；輸入電壓VIN接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的輸出電壓Vout，輸入電壓經(jīng)過電容Cl、C2濾波后進(jìn)入逆變橋；第一路逆變橋SPWM輸入信號(hào)SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02連接到第一路驅(qū)動(dòng)電路中Ul、U2的對(duì)應(yīng)輸出引腳；VFB_1為電壓反饋信號(hào)，經(jīng)過R13、R14、R15、C6、C7進(jìn)入單片機(jī)C8051F340的AD輸入引腳；TFB_1為溫度反饋信號(hào)；P5端口輸出的為第一路正弦波電壓；
[0046]第二路DC-AC逆變橋與第一路相同。
[0047]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述:
[0048]兩路輸出的多功能壓電泵驅(qū)動(dòng)電源總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，具體實(shí)施步驟如下:
[0049](I)如圖1所示，220V市電經(jīng)過保護(hù)回路和低通濾波回路組成的輸入回路進(jìn)入本驅(qū)動(dòng)電源，然后分為兩路，其中一路經(jīng)過降壓、整流、穩(wěn)壓和濾波組成的供電模塊后產(chǎn)生14VU2V和5V直流電，為系統(tǒng)中的低壓芯片供電；另一路經(jīng)過整流后進(jìn)入功率因數(shù)校正回路，從而實(shí)現(xiàn)390V直流電壓的輸出，并且提高了本電源的功率因數(shù)，其輸出的390V直流電壓進(jìn)入前級(jí)PWM調(diào)壓模塊進(jìn)行調(diào)壓。
[0050](2)如圖1所示，C8051F340與電腦(PC)間和與FPGA間均采用串口通信，C8051F340接收按鍵信號(hào)和驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示，可根據(jù)液晶屏上的提示，通過按鍵來設(shè)置最終輸出正弦波電壓的頻率、幅值(峰峰值)、相位及控制電源的啟動(dòng)和停止；C8051F340利用其內(nèi)部的AD模塊對(duì)兩路DC-AC功率模塊的反饋信號(hào)和前級(jí)PWM高壓模塊的反饋信號(hào)采樣，并將采樣結(jié)果通過串口傳遞給FPGA，從而實(shí)現(xiàn)輸出的閉環(huán)控制；FPGA輸出的PWM波作用于PWM調(diào)壓模塊，輸出的SPWM波通過驅(qū)動(dòng)電路后作用于兩路DC-AC功率模塊。
[0051](3)如圖1所示PWM調(diào)壓模塊的輸出為直流電壓，輸出連接到了兩路DC-AC功率模塊，作為待逆變的電壓；兩路DC-AC功率模塊具有兩路逆變橋，可輸出兩路正弦波；上位機(jī)監(jiān)控軟件運(yùn)行在電腦上，可通過軟件界面操作實(shí)現(xiàn)與按鍵同樣的功能，其指令通過電腦的串口傳遞給C8051F340，從而實(shí)現(xiàn)控制操作，同時(shí)軟件界面可對(duì)輸出波形進(jìn)行監(jiān)控，但對(duì)于本系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件不是必須的。
[0052]二、圖1中各功能框圖所對(duì)應(yīng)的具體實(shí)施電路如下:
[0053](I)圖2為輸入回路電路圖，對(duì)應(yīng)于圖1中的保護(hù)回路和低通濾波回路。圖中P2為220V市電的輸入端，輸入電壓允許有土 10%的波動(dòng)，即輸入電壓在198V至242V變化時(shí)對(duì)本電源輸出無影響；F1為保險(xiǎn)絲其額定電流為2A、額定電壓為250V交流；RT1為功率型NTC熱敏電阻，用于抑制浪涌電流，阻值為5 Ω，額定電流為6A，VAR1為壓敏電阻，用于抑制瞬時(shí)電壓突變，額定電壓為275V ;C101、C102、C103、C104均為薄膜電容，耐壓值均為275V交流電容值依次為0.1uF,0.1uF,4.7nF、4.7nF ；L_power為共模電感，電感值20mH ；電容ClOl、C102、C103、C104和電感L_power構(gòu)成低通濾波器，其具有兩個(gè)作用:一是防止輸入電源竄入噪聲干擾，抑制浪涌電壓和尖峰電壓的進(jìn)入；二是阻止、限制本電源所產(chǎn)生的噪聲、高頻電磁干擾信號(hào)進(jìn)入電網(wǎng)；AC_220H、AC_220L為其輸出端，輸出電壓分為兩路分別作為供電模塊和功率因數(shù)校正模塊功率級(jí)電路的輸入電壓。
[0054](2)圖3為供電模塊電路圖，對(duì)應(yīng)于圖1前級(jí)AC-DC模塊虛線框內(nèi)的降壓、整流、穩(wěn)壓和濾波環(huán)節(jié)。所示AC_220H、AC_220L為供電模塊的輸入端，輸入信號(hào)AC_220H、AC_220L分別與圖2中輸出信號(hào)AC_220H、AC_220L相連；AC_DC_T1為一個(gè)220V轉(zhuǎn)18V的電源變壓器，AC-DC_D1為整流橋，其額定電流為2A，耐壓值為50V ;AC_DC_U1為集成穩(wěn)壓芯片L7815，用于產(chǎn)生15V直流電；AC-DC_D2為14V穩(wěn)壓二級(jí)管，用于產(chǎn)生14V直流電；AD_DC_U2為集成穩(wěn)壓芯片L7812，用于產(chǎn)生12V直流電；AC-DC_U3為集成穩(wěn)壓芯片L7805，用于產(chǎn)生5V直流電；圖中 AC-DC_C1、AC-DC_C2、AC_DC_C3、AC_DC_C4、AC_DC_C5、AC_DC_C6 均為電解電容，均用于濾波；AC-DC_C1大小為lOOOuF，耐壓值為50V ;AC_DC_C2大小為470uF，耐壓值為50V ；AC-DC_C3 大小為 IOOOuF,耐壓值為 50V ;AC_DC_C4 大小為 470uF，耐壓值為 25V ;AC_DC_C5大小為0.luF，耐壓值為25V ；AC-DC_C6大小為470uF，耐壓值為16V ;AC_DC_R1為電阻，用于限流，大小為IK Ω ;LED為發(fā)光二極管，在本回路中作為電源指示燈。[0055](3)圖1前級(jí)AC-DC模塊虛線框內(nèi)的整流和功率因數(shù)校正回路是參照TI(Texas Instruments)公司的 UCC28070 應(yīng)用手冊(cè)“UCC28070 300-ff Interleaved PFCPre-Regulator Design Review”所搭建的，具體原理、工作過程和參數(shù)計(jì)算過程可參見該手冊(cè)。其輸入端的兩個(gè)接線端分別接圖2輸入回路的輸出端的AC_220H、AC_220L，其14V電源輸入端接圖3供電模塊的14V直流輸出端，功率因數(shù)校正回路的輸出電壓為390V，最大電流為0.77A，輸出最大功率為300W。
[0056](4)圖4為前級(jí)PWM調(diào)壓模塊電路圖，對(duì)應(yīng)于圖1中前級(jí)PWM調(diào)壓模塊虛線框內(nèi)的PWM調(diào)壓模塊和反饋回路。圖中所示Ul為MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，其型號(hào)為UCC27324，它的電源輸入端VDD接圖2中輸出的12V直流電，其輸入引腳INA接FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA通過電阻R3后接MOSFET的控制端；T1為變壓器，其磁芯用的是EE50，原邊匝數(shù)為78，副邊匝數(shù)為156，即匝數(shù)比為1:2，可產(chǎn)生2倍的升壓。輸入電壓VIN為功率因數(shù)校正電路的390V輸出電壓，可知當(dāng)PWM占空比在0.2~0.45內(nèi)連續(xù)變化時(shí)，輸出端Vout可輸出80~350V連續(xù)變化的電壓；電阻R1、電容Cl和快速恢復(fù)二級(jí)管Dl構(gòu)成變壓器一次測的放電回路。變壓器副邊的輸出電壓經(jīng)過快速恢復(fù)二級(jí)管D2整流和電容C4、C5及扼流圈LI濾波后作為本模塊的輸出直流電壓，即Vout。電容C3和電阻R2構(gòu)成快速恢復(fù)二級(jí)管D2的保護(hù)回路。電阻R6~R9構(gòu)成反饋回路，反饋電壓VFB由R9與R6~R7分壓所得，VFB接C8051F340的模擬信號(hào)輸入引腳。圖中Cl、C2、C4、C5為聚酯電容，耐壓為630V，大小分別為0.01uF、47uF、luF、IuF ；C3為瓷片電容，耐壓為50V,大小為0.01uF ；C6為瓷片電容，耐壓為16V，大小為3.3nF ;D1、D2為快速恢復(fù)整流二級(jí)管，型號(hào)為UF5406，D3為快速恢復(fù)二級(jí)管，型號(hào)為1N4148 ;Q1為M0SFET，型號(hào)為IRF840 ；R1為47 ΚΩ電阻，額定功率為3W ;R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9為碳膜電阻，功率均為0.25W，大小分別為IK Ω、4.7 Ω、IOK Ω、IM Ω、1ΜΩ、1ΜΩ、21.5ΚΩ ;R5為康銅絲，直徑為1_，阻值為0.01 Ω。
[0057](5)圖5為C8051F340最小系統(tǒng)電路圖，對(duì)應(yīng)于圖1控制及驅(qū)動(dòng)模塊中的C8051F340最小系統(tǒng)。圖中U7是新華龍公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型51單片機(jī)，型號(hào)為C8051F340，在本電源中作為總控制器。C8051F340的引腳P0.0、P0.1作為串口 I的輸入輸出引腳，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232后連接到DB9接口上；P0.4、P0.5為串口 O的輸入輸出引腳，分別連接到FPGA的串口輸出輸入引腳上；Ρ1.0-Ρ1.5為6個(gè)按鍵的輸入端口 ；Ρ1.7接圖4前級(jí)PWM調(diào)壓模塊電路圖的電壓反饋信號(hào)VFB ；Ρ2.0-Ρ2.2接第二路逆變橋的電流、電壓、溫度反饋信號(hào)；Ρ2.3、Ρ2.5、Ρ2.6接第一路逆變橋的電壓、溫度、電流反饋信號(hào)；Ρ2.4、Ρ2.7接D5、D6指示燈，用于指示和報(bào)警；Ρ3.0~Ρ3.7接12864液晶屏的數(shù)據(jù)端串口中，Ρ4.1~Ρ4.6接12864液晶屏的各控制端口 ；C2D、C2CK為C2接口，連接到了 JK2端口，用于下載和調(diào)試程序；+3.3V直流電壓由AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片提供，C41為電解電容，耐壓為16V，大小為IOuF ；C42為瓷片電容，耐壓為16V，大小為0.1uF ;D5、D6為發(fā)光二級(jí)管；R37、R38為碳膜電阻，用于分壓，功率為0.25W，大小為390 Ω。
[0058](6)圖6為按鍵、串口通信、穩(wěn)壓及液晶接口電路，按鍵、串口通信、液晶在圖1控制及驅(qū)動(dòng)模塊中均有對(duì)應(yīng)框圖，穩(wěn)壓電路屬于C8051F340最小系統(tǒng)。圖6中左側(cè)虛線框內(nèi)為按鍵電路，S1~S6為按鍵，KEYl~KEY6與圖5中KEYl~KEY6分別相連；中間上方虛線框內(nèi)為串口通信電路，U8為電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，Jl為DB9接口；中間下方虛線框內(nèi)為穩(wěn)壓電路，輸入電壓為5V直流，輸出電壓為3.3V直流，給C8051F340單片機(jī)供電，U9為AMSl117-3.3穩(wěn)壓芯片；右側(cè)為液晶顯示屏接口電路，IXD為一個(gè)20 口的插針接口，接一塊ST7920控制器驅(qū)動(dòng)的12864液晶屏，DBO?DB7為數(shù)據(jù)端口，接C8051F340單片機(jī)的P3 口，P41?P46與C8051F340單片機(jī)P41?P46相連。圖6中C39?C52均為瓷片電容，耐壓為16V，大小為
0.1uF ;C38、C40為電解電容，耐壓為16V，大小為IOuF ；D7為發(fā)光二級(jí)管，作為電源指示燈用；R36為碳膜電阻，用于分壓，功率為0.25W，大小為390Ω ;R45為碳膜電阻，用于調(diào)節(jié)液晶屏的亮度，大小根據(jù)實(shí)際需要確定。
[0059](7)圖7為FPGA最小系統(tǒng)接口圖，對(duì)應(yīng)于圖1控制及驅(qū)動(dòng)模塊中的FPGA最小系統(tǒng)，P1、P2為兩個(gè)22*2的排針座，用于插接一塊FPGA最小系統(tǒng)板，本電源FPGA為Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列芯片，型號(hào)為EP4CE6E22C8N，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)板是深圳微雪電子有限公司開發(fā)、生產(chǎn)的EP4CE6E22C8N最小系統(tǒng)板，其引出兩排22*2排針，可直接插接在排針座上。圖7中+5V直流電由供電模塊提供，+3.3V為最小系統(tǒng)輸出電壓；PWM引腳接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的PWM輸入引腳，SPWM1_A?SPWM2_D為兩路SPWM輸出引腳，分別接兩路DC-AC逆變橋，RXO、TXO為串口輸入輸出引腳，接C8051F340單片機(jī)的TXO、RXO引腳，用于它們之間的串口通信。
[0060](8)圖1控制及驅(qū)動(dòng)模塊虛線框內(nèi)驅(qū)動(dòng)電路中有兩路驅(qū)動(dòng)電路，分別驅(qū)動(dòng)兩路DC-AC逆變橋，圖8為第一路驅(qū)動(dòng)電路，第二路驅(qū)動(dòng)電路與第一路相同。U1、U2為IR2110，每片IR2110可驅(qū)動(dòng)全橋中一個(gè)橋臂上的上下兩個(gè)M0SFET，在Ul的SPWM波輸入端HLN、LIN均加入了由三級(jí)管Q1、Q2和電阻R15、R16組成的互鎖電路，以防止一個(gè)橋臂上的兩個(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，而造成嚴(yán)重后果，U2與此同理；SPWM1_A、SPWM1_B、SPWM1_C、SPWM1_D接FPGA最小系統(tǒng)的4個(gè)SPWM輸出引腳，即圖7中SPWM1_A?SPWM1_D引腳；SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02通過排線接到兩路DC-AC功率模塊第一路逆變橋的4個(gè)MOSFET。U5為比較器LM393，它具有兩路比較器，在本設(shè)計(jì)中其輸入信號(hào)為第一路逆變橋的電流反饋信號(hào)IFB_1，經(jīng)過一個(gè)比較器后得到過電流信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)入IR2110的過電流信號(hào)輸入引腳SD引腳，以控制SPWM信號(hào)的輸出，比較器的閥值電壓由R8、R9分壓所得，這里所分得的電壓為0.65V。電壓反饋信號(hào)VFBl經(jīng)過限流電阻后進(jìn)入C8051F340的模擬信號(hào)采集引腳，溫度反饋信號(hào)TFBl經(jīng)電阻分壓、限流后也進(jìn)入C8051F340的模擬信號(hào)采集引腳，即圖5中的SPWM1_VFB、SPWM1_TFB引腳。圖8中C9、CIO、Rll為備用元件,實(shí)際電路中不焊接；C1、C2、C6、C7、C8、C12、C16、C18、C20 為瓷片電容，耐壓為 16V, C7、C8 大小依次為 IOOOpF,0.0luF，其它電容大小均為0.1uF ;C5、C11、C13、C14、C15、C17、C19為鉭電容，耐壓為16V，大小均為IOuF ;D1、D2為快速恢復(fù)二級(jí)管，型號(hào)為FR107 ；Q1?Q4為PNP型三級(jí)管，型號(hào)為2SA1015，亦可用S8550替代；圖8中電阻均為碳膜電阻，功率均為0.25W，Rl、R8、R12、R13大小均為IOR K Ω，R 2、R3大小為100 Ω，R7大小為IK Ω，R9大小為1.5ΚΩ , R14?R21大小均為5.1ΚΩ。
[0061](9)圖9為第一路DC-AC逆變橋，是圖1中兩路DC-AC逆變橋的第一路，第二路DC-AC逆變橋與第一路相同。圖9中端口 P3通過排線連接到圖8第一路驅(qū)動(dòng)電路的P3端口，圖9所示輸入電壓VIN接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的輸出電壓Vout，輸入電壓經(jīng)過電容C1、C2濾波后進(jìn)入逆變橋；SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02為第一路逆變橋的SPWM輸入信號(hào)，連接到第一路驅(qū)動(dòng)電路中Ul、U2的對(duì)應(yīng)輸出引腳，用于驅(qū)動(dòng)MOSFET的開和關(guān)；在調(diào)制波的正半周期，V2、V3關(guān)斷，Vl導(dǎo)通，V4控制端輸入的是經(jīng)調(diào)制的SPWM波，電流在V4導(dǎo)通時(shí)，依次經(jīng)過V1、負(fù)載、V4和康銅絲流入地，在V4關(guān)斷時(shí)電感LI有一定續(xù)流和平滑的作用。在調(diào)制波的負(fù)半周期，V1、V4關(guān)斷，V2導(dǎo)通，V3控制端輸入的是經(jīng)調(diào)制的SPWM波，電流在V3導(dǎo)通時(shí)，依次經(jīng)過V2、負(fù)載、V3和康銅絲流入地，在V3關(guān)斷時(shí)電感LI有一定續(xù)流和平滑的作用。SPWM1_VS1、SPWM1_VS2為高壓側(cè)浮動(dòng)供應(yīng)偏置電壓，通過排線分別輸入給圖8中Ul、U2的VS引腳；IFB_1為電流反饋信號(hào)，其經(jīng)過圖8中比較器U5后進(jìn)入U(xiǎn)l、U2的SD引腳，起到過電流保護(hù)作用；VFB_1為電壓反饋信號(hào)，它從輸出端的一相引入，經(jīng)過R13、R14、R15、C6、C7構(gòu)成的正弦波輸出電壓調(diào)整電路調(diào)整后最終進(jìn)入單片機(jī)C8051F340的AD輸入引腳，可通過定位器調(diào)節(jié)其最大電壓，以使其滿足單片機(jī)測量范圍；TFB_1為溫度反饋信號(hào)，其值由熱敏電阻RTl與圖8中相應(yīng)電阻分壓得到，熱敏電阻RTl帖在MOSFET的散熱片上，以反應(yīng)MOSFET的溫度；P5端口輸出的即為第一路正弦波電壓。圖7中C1、C2為電解電容，耐壓為450V，大小分別為47uF、IOOuF ;C3?C5為CBB電容，耐壓為630V，大小分別為0.1uF,0.1uF,2.2uF ;C6、C16為瓷片電容，耐壓為16V，大小分別為0.1uF,0.0luF ；C7為電解電容，耐壓為16V，大小為4.7uF ；D1為快速恢復(fù)二級(jí)管，型號(hào)為1N5408 ;D2?D5為快速恢復(fù)二級(jí)管，型號(hào)為1N4148 ;V1?V4為N溝道M0SFET，型號(hào)為IRF840 ;R3?R6為碳膜電阻，功率為0.25W，大小均為4.7Ω ;R7?RlO為碳膜電阻，功率為0.25W，大小均為IOK Ω ;R11、R12為康銅絲，直徑為1mm，大小均為0.01 Ω ;R13、R15為碳膜電阻，功率為0.25W，大小分別為200ΚΩ、10ΚΩ ;R14為定位器，大小為10ΚΩ ;RT1為NTC型熱敏電阻，大小為IOK Ω。
[0062](10)圖10為上位機(jī)監(jiān)控軟件的界面，圖中上位機(jī)監(jiān)控軟件包括輸出波形顯示部分、第一路輸出設(shè)置及顯示部分、第二路輸出設(shè)置及顯示部分、系統(tǒng)設(shè)置部分。輸出波形顯示部分用于顯示兩路正弦波輸出的波形；第一路輸出設(shè)置及顯示部分可對(duì)第一路正弦波輸出信號(hào)的頻率、幅值、相位進(jìn)行設(shè)置，并且可顯示當(dāng)前輸出正弦波的頻率、幅值、相位；第二路輸出設(shè)置及顯示部分與第一路同理；系統(tǒng)設(shè)置部分可對(duì)輸入串口號(hào)和記錄時(shí)間間隔進(jìn)行選擇、打開或關(guān)閉串口、開始或結(jié)束監(jiān)控和記錄、查看記錄結(jié)果和退出程序。
[0063]三、控制流程如下:
[0064](I)圖11為C8051F340的控制程序流程圖，在進(jìn)行各步驟時(shí)12864液晶屏均有相應(yīng)的顯示或提示，為使流程圖簡單明了，未將液晶屏的顯示流程加入該程序流程圖。系統(tǒng)上電后，程序開始執(zhí)行，對(duì)程序各模塊進(jìn)行初始化，如液晶顯示屏、AD模塊和串口等，如初始化不正常則返回繼續(xù)初始化，初始化次數(shù)大于3次后，圖5的指示燈Dl閃爍報(bào)錯(cuò)；如初始化正常，則進(jìn)入無限循環(huán)程序，此時(shí)單片機(jī)等待按鍵按下和串口中斷。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，進(jìn)行鍵值處理，得出命令值，如果為設(shè)置參數(shù)命令則調(diào)用參數(shù)設(shè)置程序，液晶屏進(jìn)入設(shè)置界面，可根據(jù)提示設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，如果為退出命令則退出當(dāng)前界面，如為確定命令則將所設(shè)置的參數(shù)通過串口 O發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA會(huì)對(duì)參數(shù)進(jìn)行解析，輸出相應(yīng)的PWM波和SPWM波，同時(shí)C8051F340啟動(dòng)AD模塊對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，將結(jié)果發(fā)送給FPGA，同時(shí)判斷是否有參數(shù)超標(biāo)，并調(diào)用相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行處理；當(dāng)有串口中斷時(shí)，判斷是串口 O中斷還是串口 I中斷，并調(diào)用相應(yīng)的串口中斷處理程序，當(dāng)為串口 I中斷時(shí)，判斷是否為上位機(jī)請(qǐng)求連接命令，如果是則向上位機(jī)發(fā)送本電源當(dāng)前輸出波形的參數(shù)數(shù)據(jù)，如果不是則進(jìn)行與按鍵相同的命令值處理。
[0065](2)圖12為FPGA的程序流程圖。FPGA在運(yùn)行時(shí)是并行處理的，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)會(huì)對(duì)滿足執(zhí)行條件的所有語句執(zhí)行一次，所以程序的流程是由If語句和case語句控制的。FPGA的配置信息存儲(chǔ)在了配置芯片上，所以系統(tǒng)上電后它要先從配置芯片上讀取配置信息，然后開始執(zhí)行程序。先初始化變量，如頻率控制字、相位控制字；進(jìn)行串口時(shí)鐘分頻，得到串口時(shí)鐘，按時(shí)鐘查尋串口引腳是否有電平變化，以接收數(shù)據(jù)，如果為設(shè)置命令則設(shè)置相應(yīng)的控制字，如果為輸出命令則按時(shí)鐘查尋FPGA的ROM區(qū)，得到各波形幅度的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，將正弦波與三角波幅度進(jìn)行比較得到SPWM波，同時(shí)改變PWM頻率控制字得到PWM波。
[0066](3)圖13為上位機(jī)監(jiān)控軟件的程序流程圖。軟件啟動(dòng)后界面進(jìn)行顯示初始化，同時(shí)每秒更新一次右下角的時(shí)鐘，使之與電腦時(shí)間同步，然后等待界面中的按鈕按下和文本框的輸入。當(dāng)點(diǎn)擊“打開串口”鍵時(shí)，判斷串口是否可用，如不可用，則提示錯(cuò)誤，可更改串口號(hào)后再試，如可用則打開串口，同時(shí)按鈕名稱變?yōu)椤瓣P(guān)閉串口”，點(diǎn)擊“關(guān)閉串口”可關(guān)閉串口 ；當(dāng)點(diǎn)擊“開始監(jiān)控”鍵時(shí)，判斷串口是否打開，如未打開，則提示出錯(cuò)，可打開串口后再試，如串口已打開，則按鈕名稱變?yōu)椤巴Ｖ贡O(jiān)控”，同時(shí)初始化監(jiān)控，向C8051F340發(fā)送請(qǐng)求連接命令，開啟定時(shí)器，定時(shí)讀取串口值，實(shí)時(shí)更新各路的當(dāng)前值顯示，并繪制輸出曲線，點(diǎn)擊“停止監(jiān)控”可關(guān)閉定時(shí)器、停止監(jiān)控；當(dāng)點(diǎn)擊“開始記錄”鍵時(shí)，判斷監(jiān)控是否開始，如未開始，則提示錯(cuò)誤，可先開啟監(jiān)控后再試，如已開始監(jiān)控，則按鈕名稱變?yōu)椤巴Ｖ褂涗洝?，同時(shí)讀取記錄間隔，初始化excel表格,按記錄時(shí)間間隔將各路數(shù)據(jù)保存在excel表格里,點(diǎn)擊“停止記錄”可停止向excel表格中填寫數(shù)據(jù)；當(dāng)點(diǎn)擊第一路的“確定”鍵時(shí)，先判斷是否監(jiān)控已開始，如未開始，則提示出錯(cuò)，可先開啟監(jiān)控后再試，如已開始監(jiān)控，則將第一路各文本框內(nèi)的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給C8051F340，以更改第一路正弦波的輸出參數(shù)，第二路同理；在開始記錄后，點(diǎn)擊“打開監(jiān)控記錄”可打開excel表格，以查看記錄，關(guān)閉時(shí)會(huì)提示是否保存；點(diǎn)擊“退出”鍵，會(huì)彈出是否確定退出對(duì)話框，點(diǎn)擊“確定”鍵可退出，否則回到主界面。提示錯(cuò)誤指彈出一個(gè)錯(cuò)誤提示對(duì)話框。
[0067]四、參數(shù)調(diào)節(jié)及波形產(chǎn)生原理:
[0068](I)參數(shù)調(diào)節(jié)原理:在電壓進(jìn)入逆變橋前經(jīng)過了前級(jí)PWM調(diào)壓電路，因此改變其輸入的PWM波占空比就可使之輸出的電壓大小發(fā)生改變，即實(shí)現(xiàn)了最終輸出正弦波幅度(峰峰值)的調(diào)節(jié)；逆變橋的輸入信號(hào)為SPWM波，SPWM波由信號(hào)波和載波經(jīng)過調(diào)制得到，而最終輸出正弦波的波形、頻率、相位與信號(hào)波的波形、頻率、相位相同，因此使信號(hào)波為正弦波，改變其輸出頻率和相位，就可以實(shí)現(xiàn)最終輸出正弦波頻率、相位的調(diào)節(jié)。
[0069](2)波形的產(chǎn)生原理:
[0070]1、FPGA使用的是50MHz的外部有源晶振，定義兩個(gè)10位的整形變量分別為PWM頻率累加器和PWM頻率控制字，PWM頻率控制字由設(shè)定的最終輸出正弦波的幅度值確定，是一個(gè)O?500的整數(shù)。在每個(gè)時(shí)鐘同期PWM頻率累加器加1，加到1000時(shí)，頻率累加器歸0，同時(shí)將PWM頻率累加器值與PWM頻率控制字值進(jìn)行比較，當(dāng)PWM頻率累加器值小于等于PWM頻率控制字值時(shí)PWM波輸出引腳輸出高電平，否則輸出低電平，可用當(dāng)改變PWM頻率控制字時(shí)，可在PWM波輸出引腳輸出一個(gè)頻率為50KHz占空比在O?50%內(nèi)可變的PWM波。
[0071]2、將幅度在O到2內(nèi)變化的正弦波的一個(gè)周期等分為4096份，每個(gè)周期等分點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)幅度值，將幅度值放大2048倍并取整數(shù)，將這些值按等分點(diǎn)順序依次保存在FPGA內(nèi)4096個(gè)12位的ROM塊中，向塊中寫地址就能得到相應(yīng)的幅度值。先定義一個(gè)40位的整形變量為正弦波頻率累加器、一個(gè)12位的整形變量為正弦波頻率控制字、一個(gè)12位的整形變量為正弦波相位控制字和A、B、C、D為SPWM波的四個(gè)輸出引腳。頻率控制字和相位控制字大小由最終輸出正弦波的頻率和相位確定，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)頻率累加器值加上頻率控制字值得到新的頻率累加器值，新的頻率累加器值再加上相位控制字值，取其結(jié)果的前12位為ROM塊的地址，從ROM塊取出對(duì)應(yīng)正弦波幅度值，如此周而復(fù)始，便可得到一個(gè)正弦波，改變其頻率控制字和相位控制字就可以改變正弦波的頻率和相位，三角波產(chǎn)生原理與此相同。將正弦波作為信號(hào)波，三角波作為載波，載波比為256。每個(gè)時(shí)鐘周期，判斷一下正弦波的幅度值大小，并與三角波幅值相比較，當(dāng)正弦波幅度大于等于2048時(shí)，A腳始終輸出高電平，B、C腳始終輸出低電平，當(dāng)正弦波幅度小于等于三角波幅度時(shí)，D腳輸出高電平，否則輸出低電平；當(dāng)正弦波幅度小于2048時(shí)，C腳始終輸出高電平，A、D腳始終輸出低電平，當(dāng)正弦波幅度小于等于三角波幅度時(shí)，B腳輸出高電平，否則輸出低電平，這樣周而復(fù)始，A、B、C、D四個(gè)腳輸出的就是SPWM波。
【權(quán)利要求】
1.一種基于FPGA的多功能壓電泵驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于:是由輸入回路、前級(jí)AC-DC模塊、前級(jí)PWM調(diào)壓模塊、兩路DC-AC功率模塊、控制及驅(qū)動(dòng)模塊組成， 輸入回路:P2為電源輸入端，輸入端P2與輸出端AC_220H、AC_220L間有保險(xiǎn)絲F1、功率型NTC熱敏電阻RT1、薄膜電容C101、C102、C103、C104、共模電感L_power，電容C101、C102、C103、C104和電感L_power構(gòu)成低通濾波器； 供電模塊:通過AC_220H、AC_220L與輸入回路連接，設(shè)置有電源變壓器AC_DC_T1、整流橋AC-DC_D1、集成穩(wěn)壓芯片AC-DC_U1、穩(wěn)壓二級(jí)管AC_DC_D2、集成穩(wěn)壓芯片AD_DC_U2和AC-DC_U3、六個(gè)用于濾波的電解電容、用于限流的電阻AC-DC_R1、用于電源指示燈的發(fā)光二極管LED ； 前級(jí)AC-DC模塊的整流和功率因數(shù)校正回路:其輸入端的兩個(gè)接線端分別接輸入回路的輸出端的AC_220H、AC_220L，其電源輸入端接供電模塊的直流輸出端； 前級(jí)PWM調(diào)壓模塊:對(duì)應(yīng)于PWM調(diào)壓模塊和反饋回路，MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片Ul的電源輸入端VDD接輸入電路的輸出端，其輸入引腳INA接FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA通過電阻R3后接MOSFET的控制端；T1為變壓器；輸入電壓VIN為功率因數(shù)校正電路；電阻R1、電容Cl和快速恢復(fù)二級(jí)管Dl構(gòu)成變壓器一次測的放電回路；變壓器副邊的輸出電壓經(jīng)過快速恢復(fù)二級(jí)管D2整流和電容C4、C5及扼流圈LI濾波后作為模塊的輸出直流電壓；電容C3和電阻R2構(gòu)成快速恢復(fù)二級(jí)管D2的保護(hù)回路；電阻R6~R9構(gòu)成反饋回路；VFB接C8051F340的模擬信號(hào)輸 入引腳；最小系統(tǒng)電路C8051F340:C8051F340的引腳P0.0,P0.1作為串口 I的輸入輸出引腳，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232后連接到DB9接口上；P0.4、P0.5為串口 O的輸入輸出引腳，分別連接到FPGA的串口輸出輸入引腳上；P1.0~Pl.5為六個(gè)按鍵的輸入端口 ；P1.7接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的電壓反饋信號(hào)VFB ；P2.0~P2.2接第二路逆變橋的電流、電壓、溫度反饋信號(hào)；P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆變橋的電壓、溫度、電流反饋信號(hào)；P2.4、P2.7接D5、D6指示燈；P3.0~P3.7接12864液晶屏的數(shù)據(jù)端串口中，P4.1~P4.6接12864液晶屏的各控制端口 ；C2D、C2CK為C2接口，連接到了 JK2端口 ； 按鍵、串口通信、穩(wěn)壓及液晶接口電路:按鍵電路的SI~S6按鍵通過KEYl~KEY6與C8051F340的KEYl~KEY6分別相連；U8為電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，Jl為DB9接口 ；U9為穩(wěn)壓芯片，由U9組成的穩(wěn)壓電路為C8051F340單片機(jī)供電；液晶顯示屏IXD接C8051F340單片機(jī)的P3 口，P41~P46與C8051F340單片機(jī)P41~P46相連； FPGA系統(tǒng):PWM引腳接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的PWM輸入引腳，SPWM1_A~SPWM2_D為兩路SPWM輸出引腳，分別接兩路DC-AC逆變橋，RXO、TXO為串口輸入輸出引腳，接C8051F340單片機(jī)的TX0、RX0引腳； 第一路驅(qū)動(dòng)電路:U1的SPWM波輸入端HLN、LIN均加入了由三級(jí)管Q1、Q2和電阻R15、R16組成的互鎖電路；U2與此同理；SPWM1_A、SPWM1_B> SPWM1_C、SPWM1_D接FPGA系統(tǒng)的四個(gè) SPWM 輸出引腳，SP FPGA 系統(tǒng)中的 SPWM1_A~ SPWM1_D 引腳；SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02通過排線接到兩路DC-AC功率模塊第一路逆變橋的四個(gè)MOSFET ；U5為比較器LM393，其輸入信號(hào)為第一路逆變橋的電流反饋信號(hào)IFB_1，信號(hào)進(jìn)入IR2110的過電流信號(hào)輸入引腳SD引腳，電壓反饋信號(hào)VFBl經(jīng)過限流電阻后進(jìn)入C8051F340的模擬信號(hào)采集引腳，溫度反饋信號(hào)TFBl經(jīng)電阻分壓、限流后也進(jìn)入C8051F340的模擬信號(hào)采集引腳，即 C8051F340 中的 SPWM1_VFB、SPWM1_TFB 引腳；第二路驅(qū)動(dòng)電路與第一路相同； 第一路DC-AC逆變橋=DC-AC逆變橋中端口 P3通過排線連接到第一路驅(qū)動(dòng)電路P3端口 ；輸入電壓VIN接前級(jí)PWM調(diào)壓模塊的輸出電壓Vout，輸入電壓經(jīng)過電容Cl、C2濾波后進(jìn)入逆變橋；第一路逆變橋 SPWM 輸入信號(hào) SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02連接到第一路驅(qū)動(dòng)電路中Ul、U2的對(duì)應(yīng)輸出引腳；VFB_1為電壓反饋信號(hào)，經(jīng)過R13、R14、R15、C6、C7進(jìn)入單片機(jī)C8051F340的AD輸入引腳；TFB_1為溫度反饋信號(hào)；P5端口輸出的為第一路正弦波電壓； 第二路DC-AC逆變橋與 第一路相同。
【文檔編號(hào)】H02M5/458GK203399001SQ201320346106
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月18日
【發(fā)明者】梁亮, 李新波, 蔣楠, 周秀文, 劉國君, 楊志剛, 聶磊, 石要武 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)