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摘要：程控电源主要由正弦波产生电路、波形放大电路、功率放大电路等组成。其基本思想是，首先将要得到的信号波形进行分解和量化，然后按顺序将波形的幅值以数字信息存到存储器里。工作时再以相同的顺序取出幅值信息，经D/A电路变换成模拟量，输出所需得到的波形。本文结合实际测试电源研究工作，就程控电源波形处理技术的各个环节进行了阐述和分析，抛砖引玉，愿与各位同行切磋。
关键词：程控电源；波形合成；數字调幅；数字移相；数字变频
引言
近年来计算机技术突飞猛进的发展，数字技术及器件的大量应用，推动了测试电源技术的发展和革新，诞生了电子式程控电源。当代的电子式程控电源几乎全部采用数字波形合成、数字调幅、数字变频和数字移相，采用线性的信号放大和功率放大电路，以减小波形失真，使用闭环稳幅电路以提高输出稳定度等。本文结合电能测试电源项目的研究工作，就程控电源波形处理技术进行了阐述和分析，包括数字波形合成、数字调幅、数字移相和数字变频以及具体电路等，供大家参考。
1 程控电源波形处理基本思路
首先将要得到的信号波形进行分解和量化，然后按顺序将波形的幅值以数字信息存到存储器里。工作时，再以相同的顺序取出幅值信息，经D/A电路变换成模拟量，输出所需得到的波形。
2 程控电源波形处理技术
程控电源主要由正弦波产生电路、波形放大电路、功率放大电路等组成。CPU控制接收用户发出的各种命令，并控制波形合成及频率相位控制使输出的电压和电流符合要求。产生的波形送到前置放大器后送至功率放大器放大，以使信号能够驱动被检表和标准表。产生正弦波的方法，按其所用电路又可分为模拟信号产生电路和数字信号产生电路。模拟信号产生电路是以模拟电路为基础构成的信号产生电路。单相模拟信号产生电路多用文氏桥电路。模拟信号产生电路的特点是：输出频率和相位是用电位器调节，所以可以连续调整；由于采用了稳幅电路，输出幅度有很高的稳定性，但相位及频率的长时间稳定性较差；调节相位时对幅度有影响；相位及频率无法直接显示；电路调试困难，工艺结构复杂，难以实现程控。数字信号产生电路是以数字电路为基础而构成的信号源，其特点是输出频率和相位的调节是用计数的方法实现的，所以不能连续调节，但输出幅度、频率、相位的长时间稳定性好；相位调节时不影响输出幅度；与计算机接口方便；数字电路容易调试，工艺结构简单。
2.1波形的分解与量化
假设需要得到的为正弦波，在一个周期内等分成16段，即一个完整的正弦波是由16个点组成，每两点间相隔以360°/16=22.5°。在幅值峰-峰之间共分成±100个等级。
要使波形逼真，一个周期内分解的点数和幅度的量化级数越多越好。但是分解的点数越多，产生一个完整的正弦波所需的数据量就大。一般是根据相位的调节细度来选择分解的点数。当相位调节细度为1°时，可取360点，当调节细度为0.1°时，可取3600点。相位调节细度越高，应分解的点数就越多，所需数据量就越大。幅度量化的级数越多，将来所需的D/A位数就越多。例如，量化为256级时，则需8位D/A（28=256），量化为1024K级时，则需20位D/A。
2.2 波形的合成
波形的合成过程：假定在ROM里已存贮好了波形信息，在脉冲信号fi作用下，波形计数器依次送出ROM的地址信号0～3599，这样就依次取出存在ROM里的各点幅值的数字信息并送入D/A。在D/A中把幅值的数字信息变为相应的模拟量，再经运算放大器把电流信号变为双极性的电压信号。由于运放输出的电压信号是与各点数字量相应的阶梯波形，即信号内包含有高次谐波，所以设置并通过低通滤波器滤除高次谐波，这样就可以得到光滑的正弦波输出。
2.3波形的调节
正弦波幅度、频率、相位的调节也是采用数字的方法。
数字调幅：要改变输出正弦波的幅度，只要改变波形形成电路里D/A的基准电压UREF即可。而UREF可由控制器调节，也可用手动来调节。采用足够多位的D/A，使调节细度足够小，可以免去手动调节。
数字变频：假设要形成频率为fs的正弦波，在一个周期内又分为180个点，则送给波形计数器的脉冲频率fi应为
因此，当要求输出的频率能在45Hz～65Hz范围内连续变化时，送给波形计数器的脉冲频率应为
也就是说，只要送给波形计数器的脉冲频率为8，100Hz～11，700Hz，则输出的正弦波频率就为（45～65）Hz。要使脉冲频率能在这样宽的范围內（8，100Hz～11，700Hz）连续可调，并且有很高的稳定度，就要用频率合成技术。所谓频率合成技术，就是将一个基准频率f0（通常由晶体振荡器提供的高稳定度的频率）变换成一系列的新频率fi=Nf0，并且这些新频率的稳定度要与基准频率相当。
频率合成时常常要用到锁相环电路。所谓锁相，就是自动实现相位频率同步。能完成两个电信号相位（即频率）同步的闭环系统叫做锁相环。锁相环有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端加基准频率信号f0，另一个输入端加反馈信号。
当两个输入端信号的频率相等时，称为锁定。锁定后，锁相环还有“捕捉”能力。就是说，如果输出信号频率再次发生变化，偏离f0值（在锁相环捕捉范围内），锁相环就能捕捉到fi，强迫它锁定在f0，锁相环属于负反馈系统，故有捕捉能力。
在锁相反馈环路内加入不同的运算网络时，fi与f0就有不同的运算关系。频率合成时，在反馈环内，加入分频器，使fi与f0有倍频关系，如图4所示。fi经N分频后与基准频率f0相比较，锁定时fi/N=f。通过预置不同的分频系数N，从而达到改变波形计数器的脉冲频率fi的目的。为了满足频率调节细度为0.1Hz要求，实际预置数应扩大十倍，
数字移相：实现移相通常有两个途径，一是直接对模拟信号进行移相，如阻容移相，变压器移相等，早期的移相通常采用这种方式。采用这种方式制造的移相器有许多不足之处，如：输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等；另一个是数字移相技术，是目前移相技术的潮流，其核心是先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。数字移相既可用硬件实现，也可用软件实现。软件移相就是在产生电压、电流波形时，从存储器的不同存储单元开始读取数据。例如当电流波形从0点读取数据时，而电压波形就从第600个点读取数据，这样，电流波形就落后电压波形60°。 3.4 波形产生电路设计
电源在初始化时就将波形数据按顺序存放在数据存储器62256里，当设置谐波时会将谐波叠加后的波形数据重新装入62256。其基本工作过程是：每来一个频率控制脉冲fi，62256中就送出一个波形点数据到D/A0832，然后D/A0832在频率控制脉冲的作用下同时输出正弦波的一点。由此可见，要形成一个完整的正弦波，共需3600次。I和U的相位差值是在联络信号和频率控制脉冲作用下由选择62256不同地址的波形点分别送不同相的D/A0832，产生不同相的波形。波形幅值是由调节幅度的UAJ在控制器控制下产生。
频率控制的电路其工作原理如下：110.592kHz标准频率经分频后变为216Hz的频率作为锁相环电路4046的标准频率。通过设置273的锁存数据如5000，4046即得到一个1.08MHz的稳定频率输出，最后得到六个频率为180KHz的取样脉冲，可以取出频率为50Hz的六个波形数据（6×50×3600=180k）。通過改变对273的不同赋值即可得到不同频率输出的取数频率，达到改变正弦波频率的目的。
幅度调节的电路其工作原理如下：是采用MAX5250二十位串行D/A转换器合成的20位D/A输出，其调节细度可达0.001%。对六路D/A分别输入不同的值，可分别控制三相电压和三相电流的波形发生电路基准，分相调节各相电压和各相电流的幅值。
4 結束语
本文就程控电源波形处理技术中的波形发生，波形调节及电路实现等各个环节进行了分析及说明，电路所实现的波形具有以下特点：波形基准UREF是采用20位D/A转换器产生，因而输出幅度调节细度可达0.001%；锁相环电路的基准频率是采用高稳定度的晶体振荡器，其稳定度可达10-6；输出波形的相位0.01°、频率调节细度可达0.01Hz；为了提高各相电压、电流的输出准确度和分相幅值可调，采用一路一个波形基准UREF的方法；程控电源加入数字反馈处理技术，使电压、电流、相位的输出准确度得到大幅度提高。
参考文献：
[1]王汉杰.电能表检验技术的进步[J]电测与仪表.2004（06）：28-30
[2]张有顺，冯井岗.电能计量基础[M]中国计量出版社，2002.7
[3]秦曾煌.电工学（上下册）[M]高等教育出版社，2004.7
关键词：程控电源；波形合成；數字调幅；数字移相；数字变频
引言
近年来计算机技术突飞猛进的发展，数字技术及器件的大量应用，推动了测试电源技术的发展和革新，诞生了电子式程控电源。当代的电子式程控电源几乎全部采用数字波形合成、数字调幅、数字变频和数字移相，采用线性的信号放大和功率放大电路，以减小波形失真，使用闭环稳幅电路以提高输出稳定度等。本文结合电能测试电源项目的研究工作，就程控电源波形处理技术进行了阐述和分析，包括数字波形合成、数字调幅、数字移相和数字变频以及具体电路等，供大家参考。
1 程控电源波形处理基本思路
首先将要得到的信号波形进行分解和量化，然后按顺序将波形的幅值以数字信息存到存储器里。工作时，再以相同的顺序取出幅值信息，经D/A电路变换成模拟量，输出所需得到的波形。
2 程控电源波形处理技术
程控电源主要由正弦波产生电路、波形放大电路、功率放大电路等组成。CPU控制接收用户发出的各种命令，并控制波形合成及频率相位控制使输出的电压和电流符合要求。产生的波形送到前置放大器后送至功率放大器放大，以使信号能够驱动被检表和标准表。产生正弦波的方法，按其所用电路又可分为模拟信号产生电路和数字信号产生电路。模拟信号产生电路是以模拟电路为基础构成的信号产生电路。单相模拟信号产生电路多用文氏桥电路。模拟信号产生电路的特点是：输出频率和相位是用电位器调节，所以可以连续调整；由于采用了稳幅电路，输出幅度有很高的稳定性，但相位及频率的长时间稳定性较差；调节相位时对幅度有影响；相位及频率无法直接显示；电路调试困难，工艺结构复杂，难以实现程控。数字信号产生电路是以数字电路为基础而构成的信号源，其特点是输出频率和相位的调节是用计数的方法实现的，所以不能连续调节，但输出幅度、频率、相位的长时间稳定性好；相位调节时不影响输出幅度；与计算机接口方便；数字电路容易调试，工艺结构简单。
2.1波形的分解与量化
假设需要得到的为正弦波，在一个周期内等分成16段，即一个完整的正弦波是由16个点组成，每两点间相隔以360°/16=22.5°。在幅值峰-峰之间共分成±100个等级。
要使波形逼真，一个周期内分解的点数和幅度的量化级数越多越好。但是分解的点数越多，产生一个完整的正弦波所需的数据量就大。一般是根据相位的调节细度来选择分解的点数。当相位调节细度为1°时，可取360点，当调节细度为0.1°时，可取3600点。相位调节细度越高，应分解的点数就越多，所需数据量就越大。幅度量化的级数越多，将来所需的D/A位数就越多。例如，量化为256级时，则需8位D/A（28=256），量化为1024K级时，则需20位D/A。
2.2 波形的合成
波形的合成过程：假定在ROM里已存贮好了波形信息，在脉冲信号fi作用下，波形计数器依次送出ROM的地址信号0～3599，这样就依次取出存在ROM里的各点幅值的数字信息并送入D/A。在D/A中把幅值的数字信息变为相应的模拟量，再经运算放大器把电流信号变为双极性的电压信号。由于运放输出的电压信号是与各点数字量相应的阶梯波形，即信号内包含有高次谐波，所以设置并通过低通滤波器滤除高次谐波，这样就可以得到光滑的正弦波输出。
2.3波形的调节
正弦波幅度、频率、相位的调节也是采用数字的方法。
数字调幅：要改变输出正弦波的幅度，只要改变波形形成电路里D/A的基准电压UREF即可。而UREF可由控制器调节，也可用手动来调节。采用足够多位的D/A，使调节细度足够小，可以免去手动调节。
数字变频：假设要形成频率为fs的正弦波，在一个周期内又分为180个点，则送给波形计数器的脉冲频率fi应为
因此，当要求输出的频率能在45Hz～65Hz范围内连续变化时，送给波形计数器的脉冲频率应为
也就是说，只要送给波形计数器的脉冲频率为8，100Hz～11，700Hz，则输出的正弦波频率就为（45～65）Hz。要使脉冲频率能在这样宽的范围內（8，100Hz～11，700Hz）连续可调，并且有很高的稳定度，就要用频率合成技术。所谓频率合成技术，就是将一个基准频率f0（通常由晶体振荡器提供的高稳定度的频率）变换成一系列的新频率fi=Nf0，并且这些新频率的稳定度要与基准频率相当。
频率合成时常常要用到锁相环电路。所谓锁相，就是自动实现相位频率同步。能完成两个电信号相位（即频率）同步的闭环系统叫做锁相环。锁相环有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端加基准频率信号f0，另一个输入端加反馈信号。
当两个输入端信号的频率相等时，称为锁定。锁定后，锁相环还有“捕捉”能力。就是说，如果输出信号频率再次发生变化，偏离f0值（在锁相环捕捉范围内），锁相环就能捕捉到fi，强迫它锁定在f0，锁相环属于负反馈系统，故有捕捉能力。
在锁相反馈环路内加入不同的运算网络时，fi与f0就有不同的运算关系。频率合成时，在反馈环内，加入分频器，使fi与f0有倍频关系，如图4所示。fi经N分频后与基准频率f0相比较，锁定时fi/N=f。通过预置不同的分频系数N，从而达到改变波形计数器的脉冲频率fi的目的。为了满足频率调节细度为0.1Hz要求，实际预置数应扩大十倍，
数字移相：实现移相通常有两个途径，一是直接对模拟信号进行移相，如阻容移相，变压器移相等，早期的移相通常采用这种方式。采用这种方式制造的移相器有许多不足之处，如：输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等；另一个是数字移相技术，是目前移相技术的潮流，其核心是先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。数字移相既可用硬件实现，也可用软件实现。软件移相就是在产生电压、电流波形时，从存储器的不同存储单元开始读取数据。例如当电流波形从0点读取数据时，而电压波形就从第600个点读取数据，这样，电流波形就落后电压波形60°。 3.4 波形产生电路设计
电源在初始化时就将波形数据按顺序存放在数据存储器62256里，当设置谐波时会将谐波叠加后的波形数据重新装入62256。其基本工作过程是：每来一个频率控制脉冲fi，62256中就送出一个波形点数据到D/A0832，然后D/A0832在频率控制脉冲的作用下同时输出正弦波的一点。由此可见，要形成一个完整的正弦波，共需3600次。I和U的相位差值是在联络信号和频率控制脉冲作用下由选择62256不同地址的波形点分别送不同相的D/A0832，产生不同相的波形。波形幅值是由调节幅度的UAJ在控制器控制下产生。
频率控制的电路其工作原理如下：110.592kHz标准频率经分频后变为216Hz的频率作为锁相环电路4046的标准频率。通过设置273的锁存数据如5000，4046即得到一个1.08MHz的稳定频率输出，最后得到六个频率为180KHz的取样脉冲，可以取出频率为50Hz的六个波形数据（6×50×3600=180k）。通過改变对273的不同赋值即可得到不同频率输出的取数频率，达到改变正弦波频率的目的。
幅度调节的电路其工作原理如下：是采用MAX5250二十位串行D/A转换器合成的20位D/A输出，其调节细度可达0.001%。对六路D/A分别输入不同的值，可分别控制三相电压和三相电流的波形发生电路基准，分相调节各相电压和各相电流的幅值。
4 結束语
本文就程控电源波形处理技术中的波形发生，波形调节及电路实现等各个环节进行了分析及说明，电路所实现的波形具有以下特点：波形基准UREF是采用20位D/A转换器产生，因而输出幅度调节细度可达0.001%；锁相环电路的基准频率是采用高稳定度的晶体振荡器，其稳定度可达10-6；输出波形的相位0.01°、频率调节细度可达0.01Hz；为了提高各相电压、电流的输出准确度和分相幅值可调，采用一路一个波形基准UREF的方法；程控电源加入数字反馈处理技术，使电压、电流、相位的输出准确度得到大幅度提高。
参考文献：
[1]王汉杰.电能表检验技术的进步[J]电测与仪表.2004（06）：28-30
[2]张有顺，冯井岗.电能计量基础[M]中国计量出版社，2002.7
[3]秦曾煌.电工学（上下册）[M]高等教育出版社，2004.7