陶瓷变压器自适应控制系统硬件电路设计

　　摘要:压电陶瓷变压器是谐振体，只有在驱动电压的频率等于压电陶瓷的固有频率时，变压器才能处于谐振状态，进行有效的电压输出。而实际上压电陶瓷变压器的谐振频率常常受到负载阻抗、环境因数的影响而发生变化。为了得到最佳输出，需要跟踪谐振频率的变化对驱动频率进行自动调整，另外又由于压电陶瓷变压器的输出阻抗很大，当负载变化时，输出电压随之变化，难以满足高压电源输出电压稳定性的技术要求，因此也需要一种调整电路对输出高压进行自动调整。本仪器用单片机来实现对压电陶瓷的谐振频率的自动跟踪，保证压电陶瓷的最佳工作状态，满足压电陶瓷动态应用时期驱动电源的要求。

　　关健词：压电陶瓷;自动控制;稳定电源

　　Abstract: piezoelectric ceramic transformer is a resonant body, only the driving voltage frequency equal to the natural frequency of piezoelectric ceramic transformer, in order to resonant state, effective voltage output. But in fact the piezoelectric ceramic transformer resonant frequency is often affected by the load impedance, environment change. In order to obtain the best output, need to track changes in the resonant frequency of the driving frequency is automatically adjusted, and the piezoelectric ceramic transformer output impedance, when the load changes, the output voltage changes, can not meet the high voltage power supply output voltage stability and technical requirements, so it needs an adjustment circuit on the output voltage automatically adjustment. The instruments used to achieve single-chip for piezoelectric ceramic resonator frequency automatic tracking, guarantee the best working state of piezoelectric ceramics, piezoelectric ceramic dynamic application period to meet the drive power demand.

　　Key words: piezoelectric ceramic; automatic control; power supply stability

　　中途分类号：TF762+.6 文献标识码：A 文章编码：

　　本仪器硬件电路包括CPU部分、D/A转换、运放电路、信号发生电路、驱动电路、反馈、隔离电路等, 原理框图见图1

　　由原理框图可见，从CPU发出的数字量经D/A转换后，进行运算放大，放大后的电压量驱动信号发生电路，产生的信号经放大后驱动负载，最后由反馈隔离电路反馈回CPU，进行输出调整，使输出满足负载的电压要求。具体电路如图2所示。

　　一、CPU外围电路

　　如图3所示，

　　CPU外围电路主要包括晶振和复位电路，如上图所示。

　　二、 D/A转换

　　D/A转换电路说明：

　　如图4所示，R-A、R-B、R-C、R-D接5V基准电压输入，时钟接CPU的P1.1口，LOAD接P1.0口，LDAC接P1.3口，从CPU送出的信号经串行数据接口6脚输入，TLC5620的串行输入选择位A1、A0分别为0、0，即选择DAA为模拟输出通道。然后经放大电路放大。

　　具体过程如下：

　　当LOAD为高电平时,数据在CLK每一下降沿由时钟同步送入DATA端口,一旦所有的数据位送入,LOAD变为脉冲低电平以便把数据从串行输入寄存器传送到所选择的DAC.如果LDAC为低电平,所选择的DAC输出电压更新且LOAD变为低电平.而在串行编程期间内LDAC为高电平,新数值被LOAD的脉冲低电平打入第一级锁存器后,再由LDAC脉冲低电平传送到DAC输出.数据输入时最高有效位(MSB)在前. 表1列出A1和A0位以及被更新DAC的选择.RNG位控制DAC输出范围.当RNG为低电平时,输出范围在所加的基准电压与GND之间,当RNG为高电平时,输出范围在所加基准电压的两倍与GND之间。

　　三、 运放电路

　　由于陶瓷变压器的起振频率宽度很窄，ICL8038在8脚(调频电压输入端)电压变化幅度很小时(毫伏级)才能够达到要求，因此这里选用精度很高的运放TLC2252来达到控制ICL8038的调频电压。通过对D/A转换后的电压进行放大，使得加在调频电压输入端的电压随数字量的增加作毫伏级变化。使得ICL8038的输出频率能更好地稳定在压电陶瓷的谐振频率附近。具体电路如下图(图5)。经D/A转换的模拟信号由2252的3脚输入，1脚输出，然后进行下一级放大，共经过三级放大后，由7脚(网络标号C38)输入到信号发生器8038。

　　四、信号发生电路

　　信号发生电路如图6所示：

　　此图6中，8脚(网络标号C38)接收放大后的电压作为调频电压，9脚输出矩形波。

　　五 驱动电路

　　ICL8038的带负载能力较差，需要另加驱动，这里用很简单的三极管放大电路作驱动，使NPN工作在放大区，PNP工作在截至区，这样可以使输出电阻很小，带负载能力增强，另外加入新的驱动电压，使陶瓷变压器的起振电压达到0~12V(可以使用电位器进行调解)。具体电路如下图(图7)。

　　六 反馈隔离电路

　　由于压电陶瓷变压器的输出阻抗很大，当负载变化时，输出电压随之变化，难以满足高压电源输出电压稳定性的技术要求，因此也需要隔离电路对输出高压进行隔离。光电耦合器件的输入和输出之间通过光信号的传输，对电信号是隔离的，没有电信号的反馈和干扰，因而性能稳定。由于发光管和接收管之间的耦合电容很小(小于2pF)，所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高，抗干扰能力强。

　　从压电陶瓷变压器的输出端口输出的高压经电阻分压后，采用变压器来隔离，经过整流滤波后送运算放大器放大，在用光藕隔离器件TTL117对放大后的电压进行隔离，再反馈到CPU。经过CPU的软件处理控制ICL8038的调频电压来时压电陶瓷变压器工作在最佳的谐振频率。

　　七 自适应性的实现

　　先给定2051一定频率电压，经D/A转换后放大，作为信号发生器8038的调频电压，8038的9脚输出频率与调频电压成正比的矩形波，矩形波经无失真放大后驱动压电陶瓷变压器。若此矩形波的频率与压电陶瓷变压器的谐振频率相同，则压电陶瓷处于最佳谐振状态，输出电压最大。由于压电陶瓷变压器有其独特性质，当电源电压，环境温度，负载阻抗和振荡频率发生变化时，输出特性将有较大的变化，变化的结果将集中反映在输出电压或输出电流的变化量上，这个变化量经过变压器，LF353放大，以及光电藕合后，反馈到CPU的P1.4脚，CPU将根据反馈电压自动调整D/A输出电压，再由8038调节输出频率，使得输出频率在压电陶瓷的谐振频率上，实现对压电陶瓷变压器的自适应控制。

　　参考文献:

　　[1] 柴荔英，张向红，周桃生，邝安祥. 雷达显示器压电陶瓷变压器高压电源研究. 电子变压器技术，2001(9) No.3

　　[2] 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社.1987.5

　　[3] 柴荔英，张向红，周桃红，邝安祥. 雷达显示器压电陶瓷变压器高压电源研究. 电子变压器技术.2001.9

　　[4] 侯志俊. 基于压电陶瓷变压器的超小型高压电源. 电子源器件应用.2001.6第四期第六卷

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文章名称： 陶瓷变压器自适应控制系统硬件电路设计

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