系统工作原理与硬件实现

基于DAC波形拟合输出的可编程交流电源系统主要由主控芯片STM32F103ZET6、滤波、功率放大、变压器、显示、按键灯模块构成。系统原理框图如图1所示，CPU2根据输出要求，通过按键、显示环节设置好输出参数，电网模拟器，由SPI串行总线将数据传至CPU1，并用其内置12 bit DAC拟合出对应的波形并输出。由于DAC拟合出的波形为阶梯波，需对拟合出的波形进行滤波处理，先低通滤波后串电容进行交流耦合来提高波形质量。之后再对滤波后的波形进行功率放大处理，其中功放环节的增益为20 dB，可以对波形幅值进行适当放大。功率放大后的波形，按需选择相应的电压型或者电流型变压器接入即可得到所需的输出。在设定好幅值、频率、相位等参数并使之输出期间，CPU2对终输出的信号进行采集并计算，应用PID算法调节误差，使输出快速且稳定地响应至设定值，同时通过LCD液晶屏显示各输出参数。

可编程交流电源是实验室与科研机构必不可少的工具，在研发和产品测试中，对于输出电压或者电流的幅值、频率、相位、波形等都有一定的要求。而我国市电的规定为单相50 Hz/220 V或三相50 Hz/380 V的交流电，幅值的调节可以直接通过变压器完成，但频率和相位的调节具有一定难度，且变压器输出电压、电流会随负载变化无法得到稳定的交流电源。所以对于具有稳定输出、参数可灵活调节的可编程交流电源的研究日益迫切。

现有的许多可编程交流电源多采用PWM整流与逆变技术来实现，电网模拟器供应商，其输出频率、相位等参数可设，但输出精度与分辨率不高，波形质量不理想，且硬件实现过程复杂，成本高。本文介绍的可编程交流电源以两片STM32F103ZET6处理器为控制核心，一片用于利用其内置DAC拟合波形，另一片完成反馈和人机交互等任务。作反馈时，根据实际输出和设定输出的差值，应用了数字PID算法调整输出，使得输出能够快速且稳定响应至所预设的值。该电源具有两路输出，各路输出的幅值、频率、相位差可不间断连续调整，其中频率与相位的分辨率分别可达0.05 Hz、0.25度，各次谐波成分可任意叠加，至31次。各装置之间可以级联，满足需多路输出的测试场合。

整流滤波电路：

交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将*。

输入滤波电路：

C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行*，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、*为安规电容，电网模拟器采购，L2、L3为差模电感。R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成*浪涌电路。在起机的瞬间，电网模拟器定制，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降*，Q1导通使Q2没有栅*电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。