無信號源的自激式激磁電源的原理及設計 (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現功率輸出的激磁電源的設計思想和工作原理，以及核心器件OPA548的性能參數、電路穩幅穩頻措施和實際應用中的注意事項。介紹了通過反相疊加和LC串聯諧振提高電壓幅值的電源工作方式，使電路在±15v供電時能夠提供穩定的36V／400Hz正弦波電壓，
關鍵詞：維恩電橋振蕩器；無信號源；OPA548；LC串聯諧振。

0 引言
??? 激磁電源是自整角機、旋轉變壓器、感應同步器、感應移相器等微特電機的必備供電電源，也是分解器數字轉換器(RDC)模塊的主要電源之一，在慣導、雷達、自動跟蹤等自動化設備中應用廣泛。傳統的激磁電源的設計，都是采用先設計正弦信號源，再經過衰減或放大，然后進行功率放大的模式。這種設計方式由于電路工作環節多，導致電路復雜、效率低、成本高，溫度穩定性不好，可靠性下降。高電壓、大電流、小體積的功率運算放大器的出現，為簡化激磁電源設計，提高設計質量提供了可行性。采用功率運放直接組成維恩電橋振蕩電路，通過自激振蕩產生驅動功率足夠的正弦波。采用這種方式設計的激磁電源，不僅結構簡單、成本低，并且失真度小，具有穩頻、穩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，根據實際供電電壓的情況和負載的具體要求，可提供相同頻率的3種不同幅值的正弦波輸出。基于功率運放的維恩電橋振蕩器產生基本的正弦波輸出；經過功率運放反相后，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；對于感性負載，可通過串聯諧振電容，利用LC串聯諧振原理得到更高幅值的輸出。

1．1核心器件的選用
??? 構成維恩電橋的功率運算放大器作為激磁電源的核心器件，要求能適應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，選用了BB公司的高電壓大電流功率運放OPA548(TO-220-7封裝)，可單、雙電源供電，雙電源供電范圍為±4～±30V，連續工作輸出電流3A(峰值5A)，在環境溫度-40度～+85度范圍內輸入電壓溫度漂移為±30μV／℃，并具備輸出使能控制、熱關斷保護、電流限制可調等功能。

1．2 振蕩器穩幅穩頻工作原理
??? 維恩電橋振蕩器及其反相驅動電路如圖2所示。振蕩頻率由R1、R4、C1、C3決定，基本不受功率運算放大器本身和電源的影響。應選用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定。自激振蕩器工作原理：運算放大器并非理想器件，一旦電路上電，運算放大器會產生輸出噪聲，通過反饋網絡R4、C3反饋至運放的同相輸入端，成為輸入信號。由于正反饋作用，形成正弦振蕩，并且振幅逐漸增大，直至接近電源電壓，輸出振幅達到飽和，通過調節可變電阻R3改變運放增益，使輸出正弦波幅值達到所要求的范圍。

由巴克豪森判據可知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電源端可以設置電流大小。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壓二極管穩幅方式，如圖2所示，D7為雙向穩壓二極管，型號為2CW234．在運放反饋輸入端接入以穩定振幅。D7是穩定正弦波幅度的關鍵器件，其自身的溫度穩定性一定要好，應選用工業級以上的低溫漂產品。經實際檢測，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，設計了LED振蕩指示電路。電路振蕩時，正弦波信號通過電阻Rs、電容C4驅動發光二極管D5發光。C4起隔直作用，保證電路未起振時D5為熄滅狀態。

1．3 反相輸出及LC串聯諧振
??? 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。通常自動控制系統使用的激磁電源有效值為36 v或26 v，若要產生有效值為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構成的振蕩器最高可以提供有效值為21 v的激磁電源，經過反相疊加后，可以提供有效值為26v或36 v的激磁電源。但對于只提供常規低電壓供電的系統，如±15 v供電的系統，就無法提供有效值為26v或36v的激磁電壓，這時可以采用LC串聯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是旋轉變壓器的電感，C是串聯電容，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，電感兩端電壓有可能超過額定電壓，可調節R3使輸出電壓有效值
為36V。

1．4電路保護措施
??? 理想狀態下，LC串聯諧振電路完全諧振時電感和電容兩端電壓大小相等，相位相反，互相抵消。但實際元件并不能使電路達到完全諧振狀態，那么功率運放輸出端的電壓有可能在正弦峰值時超出電源電壓，損壞功率運放。通過兩個鉗位二極管對低內阻的電源放電，以防止意外的峰值電壓造成損壞。二極管采用超快恢復二極管，其連續電流應大于功率運放峰值電流，反向耐壓值應至少為電源電壓的兩倍，電路設計中選用的是HER604(6A／300V)。]

2 應注意的問題
??? 圖2中R2與R3的參數特別是溫度系數要一致，否則，在高溫和低溫時，有可能出現振蕩器不起振，或者振蕩波形失真的現象。電路調整完畢，R3的調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變化的可能性。穩壓二極管對激磁電源電路的輸出電壓的穩定性影響較大，需要選擇溫漂小的雙向穩壓二極管，最好選用帶溫度補償的穩壓二極管。這樣即使電源電路長期連續工作，其輸出的正弦波頻率及電壓參數以及波形失真度仍能滿足使用要求，保證應用激磁電源的系統的精度。

3 結語
??? 無信號源的自激式激磁電源的設計，突破了傳統的激磁電源的設計理念，減少了設計環節，簡化了電源結構，降低了電路成本，提高了可靠性。經實際應用，能夠長期穩定地工作，輸出電壓的頻率和幅值穩定精度高。特別是功率運放反相驅動和LC串聯諧振原理的應用，使一套振蕩器電路可以同時輸出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，適應性強，應用廣泛。