无信号源的自激式激磁电源的原理及设计

0 引言

激磁电源是自整角机、旋转变压器、感应同步器、感应移相器等微特电机的必备供电电源，也是分解器数字转换器(RDC)模块的主要电源之一，在惯导、雷达、自动跟踪等自动化设备中应用广泛。传统的激磁电源的设计，都是采用先设计正弦信号源，再经过衰减或放大，然后进行功率放大的模式。这种设计方式由于电路工作环节多，导致电路复杂、效率低、成本高，温度稳定性不好，可靠性下降。高电压、大电流、小体积的功率运算放大器的出现，为简化激磁电源设计，提高设计质量提供了可行性。采用功率运放直接组成维恩电桥振荡电路，通过自激振荡产生驱动功率足够的正弦波。采用这种方式设计的激磁电源，不仅结构简单、成本低，并且失真度小，具有稳频、稳幅功能和良好的低温漂性能。

1 直接振荡式激磁电源电路组成及工作原理

图1是自激式激磁电源原理框图，根据实际供电电压的情况和负载的具体要求，可提供相同频率的3种不同幅值的正弦波输出。基于功率运放的维恩电桥振荡器产生基本的正弦波输出；经过功率运放反相后，从其输出端和反相输入端可得到幅值叠加为基本正弦波幅值2倍的频率相同的正弦波输出；对于感性负载，可通过串联谐振电容，利用LC串联谐振原理得到更高幅值的输出。

1．1核心器件的选用

构成维恩电桥的功率运算放大器作为激磁电源的核心器件，要求能适应较宽的电源电压范围，并能输出较大电流，具备良好的低温漂特性。综合考虑性能、体积参数，选用了BB公司的高电压大电流功率运放OPA548(TO-220-7封装)，可单、双电源供电，双电源供电范围为±4～±30V，连续工作输出电流3A(峰值5A)，在环境温度-40度～+85度范围内输入电压温度漂移为±30µV／℃，并具备输出使能控制、热关断保护、电流限制可调等功能。

1．2 振荡器稳幅稳频工作原理

维恩电桥振荡器及其反相驱动电路如图2所示。振荡频率由R1、R4、C1、C3决定，基本不受功率运算放大器本身和电源的影响。应选用1／1000精度的金属膜电阻和高性能的聚酯电容以保证频率稳定。自激振荡器工作原理：运算放大器并非理想器件，一旦电路上电，运算放大器会产生输出噪声，通过反馈网络R4、C3反馈至运放的同相输入端，成为输入信号。由于正反馈作用，形成正弦振荡，并且振幅逐渐增大，直至接近电源电压，输出振幅达到饱和，通过调节可变电阻R3改变运放增益，使输出正弦波幅值达到所要求的范围。

由巴克豪森判据可知AB=1是振荡的临界条件。其中

因此，维恩电桥自激振荡要满足增益A>3的要求。

0PA548有限流控制端，将该端通过限流电阻接到负电源端可以设置电流大小。限流电阻R1为

式中：I为OPA548所限制的由R1决定的输出电流(O

该振荡电路采用双向稳压二极管稳幅方式，如图2所示，D7为双向稳压二极管，型号为2CW234．在运放反馈输入端接入以稳定振幅。D7是稳定正弦波幅度的关键器件，其自身的温度稳定性一定要好，应选用工业级以上的低温漂产品。经实际检测，其中频率波动≤±lHz，电压波动≤±1％，波形失真度≤l％。为了便于观察电路是否起振，设计了LED振荡指示电路。电路振荡时，正弦波信号通过电阻Rs、电容C4驱动发光二极管D5发光。C4起隔直作用，保证电路未起振时D5为熄灭状态。

1．3 反相输出及LC串联谐振

功率正弦波振荡器输出电压的幅值，与振荡器供电电压密切相关。通常自动控制系统使用的激磁电源有效值为36 v或26 v，若要产生有效值为36V的激磁电源，则正弦波的峰-峰值为使用单级运放则至少需要±5l v的电源输入范围。

如果使用±30v双电源供电，由0PA548构成的振荡器最高可以提供有效值为21 v的激磁电源，经过反相叠加后，可以提供有效值为26v或36 v的激磁电源。但对于只提供常规低电压供电的系统，如±15 v供电的系统，就无法提供有效值为26v或36v的激磁电压，这时可以采用LC串联谐振的方式使电压有效值升到36v，等效电路

如图3所示。

图3中L是旋转变压器的电感，C是串联电容，R是电路的总电阻，即R=RL+RC(RL和RC分别为电感元件和电容元件的电阻)；US为激磁电源，相当于图2中输出1与输出2之间输出的激磁电源，ω为电源角频率。电路输入阻抗Z为

完全谐振时，电感两端电压有可能超过额定电压，可调节R3使输出电压有效值

为36V。

1．4电路保护措施

理想状态下，LC串联谐振电路完全谐振时电感和电容两端电压大小相等，相位相反，互相抵消。但实际元件并不能使电路达到完全谐振状态，那么功率运放输出端的电压有可能在正弦峰值时超出电源电压，损坏功率运放。通过两个钳位二极管对低内阻的电源放电，以防止意外的峰值电压造成损坏。二极管采用超快恢复二极管，其连续电流应大于功率运放峰值电流，反向耐压值应至少为电源电压的两倍，电路设计中选用的是HER604(6A／300V)。]

2 应注意的问题

图2中R2与R3的参数特别是温度系数要一致，否则，在高温和低温时，有可能出现振荡器不起振，或者振荡波形失真的现象。电路调整完毕，R3的调整值最好换成相同阻值的固定金属膜电阻，以减小阻值漂移引起激磁电源参数变化的可能性。稳压二极管对激磁电源电路的输出电压的稳定性影响较大，需要选择温漂小的双向稳压二极管，最好选用带温度补偿的稳压二极管。这样即使电源电路长期连续工作，其输出的正弦波频率及电压参数以及波形失真度仍能满足使用要求，保证应用激磁电源的系统的精度。

3 结语

无信号源的自激式激磁电源的设计，突破了传统的激磁电源的设计理念，减少了设计环节，简化了电源结构，降低了电路成本，提高了可靠性。经实际应用，能够长期稳定地工作，输出电压的频率和幅值稳定精度高。特别是功率运放反相驱动和LC串联谐振原理的应用，使一套振荡器电路可以同时输出3种不同幅值的正弦波电压，能够满足不同的使用需求。体积小，功能全，适应性强，应用广泛。