CN101494444B - 基于计算机总线的可程控功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计算机总线的可程控功率放大器，包括直流电源模块、计算机总线通讯接口模块和功率放大模块，直流电源模块为功率放大模块供电，计算机总线通讯接口模块与计算机总线相连并向直流电源模块和功率放大模块输出控制信号，功率放大模块对外界输入的小功率宽带信号进行功率放大。本发明是基于计算机总线的通断、增益和带宽可程控功率放大器，可以和其它基于计算机系统总线的仪器集成在一个统一的计算机系统中构成一台集成度高的仪器设备，通过统一的软件对其进行管理，并可和其它计算机程序集成在一起构成一个集成的测试软件系统，可以促进压电材料在大型工程结构上的广泛应用以及结构健康监测等技术的工程化应用。

Description

基于计算机总线的可程控功率放大器 

一、技术领域

本发明涉及一种功率放大器，尤其涉及一种可以通过计算机控制电源通断、工作通断、放大增益和放大带宽的功率放大器。 

二、背景技术

压电材料既能作为传感元件，又能作为激励元件。压电材料作为激励元件，在结构健康监测、振动主动控制、超声无损检测等领域有广泛的应用。 

现有的驱动压电元件的功率放大器多为独立的仪表仪器。这种独立仪器体积大，其通断、增益需手动调节，一般不具备带宽调节的能力。 

在很多应用领域，比如结构健康监测领域，要求根据实际结构刚度和尺寸大小，选用不同的激励信号幅值，在压电元件以阵列使用时，要求多个压电元件同时产生激励；在结构振动(噪声)主动控制领域，要求根据测量的结构振动情况，在结构不同部位产生不同大小的激励信号来抑制有害振动等等。这些应用都要求功率放大器组成功放阵列，但是作为独立仪器的功率放大器在组成功率放大器阵列时，仪器结构庞大，复杂，而且仪器管理不方便；当需要分别控制阵列中各个功率放大器的工作状态时，需要人为手动控制，影响了系统的实时性和控制精度。这些缺陷使得在实际应用中，大量使用压电元件受到限制。这就要求有一种功率大器，可以用来放大激励信号激励压电元件，而且这种功率放大器的导通和关闭、以及增益和带宽可以通过程序调整；在使用多个这样的功率放大器组成功放阵列时，可有由统一的软件对它们进行统一的管理。本发明正是在这种背景下产生的。 

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种基于计算机总线的通断、增益和带宽可程控功率放大器。 

2、技术方案： 

为了解决上述的技术问题，本发明的基于计算机总线的可程控功率放大器包括直流电源模块、计算机总线通讯接口模块和功率放大模块，直流电源模块将外界电源转换后为功率放大模块供电，计算机总线通讯接口模块与计算机总线相连并向直流电源模块和功率放大模块输出控制信号，功率放大模块在计算机总线通讯接口模块的控制下对外界输入的小功率宽带信号进行功率放大。直流电源模块外接电源并为功率放大模块供电；计算机总线通讯接口模块与计算机总线相连并向功率放大模块输出控制信号和监测功率放大器模块的控制状态，同时控制电源的开启和关闭；功率放大模块在计算机总线通讯接口模块的控制下对外界输入的小功率宽带信号进行功率放大；

直流电源模块包括电源开启模块、开关电源模块和输出过流指示模块，外界电源依次经过电源开启模块、开关电源模块和输出过流指示模块转换为高功率直流电源供给功率放大模块；电源开启模块接收计算机总线通讯接口模块的开启控制；直流电源模块将220V工业电或计算机总线上的电源进行能量转换，输出高功率直流电源，给功率放大模块供电，有如下两种实现方案：(1)在输出信号功率要求较高以及考虑计算机总线插槽成本的场合，使用外部独立仪器式小型功率放大器，受计算机外部总线控制。电源模块采用大功率交流/直流型开关电源模块，将工业220V交流电源转换成高功率直流电源输出。在电源信号的输出端与负载之间加入输出过流指示模块，它能起到保护直流稳压源模块和功率放大模块的作用，并提示用户功率放大器出现故障。在直流电源的输入或出端也接入一个电源开启提示模块，向用户表明功率放大器的上电情况。(2)在输出信号功率要求不高以及考虑系统集成性的场合，使用基于计算机系统总线插卡式功率放大器，由计算机总线电源直接供电给电源模块，电源模块采用直流/直流升压型开关电源模块，输出大电压直流电源。同样可以具有输出过流指示模块和电源开启提示模块。电源模块的开启和关闭通过程序进行控制。 

计算机总线通讯接口模块包括总线接口模块、译码器模块、程控驱动信号输出锁存模块和程控状态信号输入缓存模块，计算机总线通讯接口模块接受来自于计算机总线的控制任务交互信号，向译码器模块输出片选地址信号和读写使能信号，并同时向程控驱动信号输出锁存模块输出程控驱动信号并读取程控状态信号输入缓存模块缓存输入的程控状态代码信号，译码器模块同时向程控驱动信号输出锁存模块和程控状态信号输入缓存模块输出使能信号，程控驱动信号输出锁存模块向直流电源模块中的电源开启模块和功率放大模块输出程控驱动信号；计算机总线通讯接口模块实现与应用程序的控制任务交互功能，输出控制信号给功率放大模块改变其工作状态，同时读回功率放大模块的控制状态，监控功率放大器。其电源由计算机总线电源提供。其对功率放大模块的控制过程如下：1、对功率放大模块工作状态进行程控时，运行状态调节程序，然后该程序经历如下过程实现状态调节：程序指令被计算机微处理器编译链接并且执行以后由微处理器产生控制任务交互信号，这个信号里包含了所有和状态调节有关的信息包括程控代码、片选地址、写使能；控制任务交互信号通过计算机总线在总线接口模块进行处理；总线接口模块向译码模块发出写使能信号(这时读使能关闭)，片选地址信号，同时发出程控代码信号；根据片选地址信号使能对应地址的译码器模块； 被使能的译码器模块向程控驱动信号输出锁存模块发出输出使能信号；程控驱动信号输出锁存模块使能后读取程控代码信号并锁存输出。程控驱动信号包括电源开启驱动信号、输入通断控制信号、带宽调节信号、增益调节信号和输出通断控制信号；2、对功率放大模块程控状态进行监控时，运行程控状态读取程序，然后程序经历如下过程实现程控状态读取：程序指令被计算机微处理器编译链接并且执行以后由微处理器产生控制任务交互信号，这个信号里包含了所有和程控状态有关的信息包括程控状态代码、片选地址、读使能。控制任务交互信号通过计算机总线在总线接口模块进行处理；总线接口模块向译码模块发出读使能信号(这时写使能关闭)，片选地址信号；根据片选地址信号使能对应地址的译码器模块；被使能的译码器模块向程控状态信号输入缓存模块发出输入使能信号；程控状态信号输入缓存模块读取程控状态信号并缓存输入到总线通用接口模块。程控状态信号确定后通过总线接口模块与总线通讯并进入微处理器，然后返回程控状态读取程序。对功率放大器模块程控状态进行监控是为了监视功率放大器模块是否按要求完成工作状态的调节。程控状态信号包括电源开启状态信号、输入通断状态信号、带宽状态信号、增益状态信号和输出通断状态信号。 

功率放大模块包括输入通断控制模块、信号带宽调节模块、增益调节模块、集成功率运算放大器模块和输出通断控制模块，外界待处理的小功率宽带信号依次经过输入通断控制模块、信号带宽调节模块、增益调节模块、集成功率运算放大器模块和输出通断控制模块处理成为大功率宽带信号；功率放大模块根据控制指令改变自身的电路结构，实现工作状态的变化，并对输入的小功率宽带信号进行功率放大，输出大功率宽带信号，所述的大功率宽带信号电压幅值一般为±50V～±80V，电流幅值一般为20mA～500mA，输出功率一般在10W～40W，带宽一般在0.1Hz到500KHz之间。其工作原理如下：(1)外界输入的小功率宽带信号(带宽一般在0.1Hz到500KHz之间)首先进入输入通断模块。输入通断模块由一个高速模拟开关组成。高速模拟开关根据输入通断控制信号进行导通或关闭，以此实现对输入信号的通断控制。高速模拟开关的通断状态可以由计算机总线通讯接口模块读取，通过返回输入通断状态信号最后告知程控状态读取程序；(2)输入通断模块导通后，小功率宽带信号进入信号带宽调节模块。该模块由高速模拟开关、滤波器组成。高速模拟开关根据带宽调节信号进行导通或关闭，以此改变滤波器截止频率，从而改变滤波器带宽，实现对输入信号的带宽调节，输出固定带宽的小功率信号。此高速模拟开关的通断状态可以由计算机总线通讯接口模块读取，通过返回带宽状态信号最后告知程控状态读取程序；(3)增益调节模块由高速模拟开关、集成功率运算放大器模块中的控制增益的输入和反馈电路组成。高速模拟开关根据增益调节信号进行导通或关闭，以此选择不同的输入 电路，从而改变信号放大增益，实现对集成功率运算放大器模块增益的调节。此高速模拟开关的通断状态可以由计算机总线通讯接口模块读取，通过返回增益状态信号最后告知程控状态读取程序；(4)信号带宽调节模块输出的固定带宽的小功率信号进入集功率运算放大器模块。该模块由高速高功率集成功率运算放大器及其辅助电路组成。根据增益调节模块的工作状态，以固定增益放大输入信号电压，并根据负载大小，输出相应大小的电流，最后形成大功率信号输出；(5)大功率输出信号进入输出通断控制模块。该模块由大功率继电器及其驱动电路组成。驱动电路根据输出通断控制信号驱动继电器的闭合和断开，以此实现对输出信号的通断控制。驱动电路的工作状态可以由计算机总线通讯接口模块读取，通过返回输出通断状态信号最后告知程控状态读取程序。 

在对功率放大器通断实时性要求较高的场合，输出通断控制模块由于受到继电器闭合稳定或断开稳定时间的限制可以省略该模块。在对功率放大器通断实时性要求不高的场合可以省略输入通断控制模块以减小功率放大器体积。 

功率放大模块中除了集成功率运算放大器模块使用直流电源模块输出的电源以外，其余模块均采用计算机总线电源对其供电，这样可以降低对电源模块的要求，只需电源模块输出大功率直流电源即可，从而可以减小电源模块的体积。 

3、有益效果：本发明的优点是：(1)基于计算机总线的通断、增益和带宽可程控功率放大器，可以很方便的和其它基于计算机系统总线的仪器集成在一个统一的计算机系统中构成一台集成度高的仪器设备；(2)当使用压电元件阵列进行工程测试时，多个基于计算机总线的通断、增益和带宽可程控功率放大器可在同一个系统总线上组成激励信号放大器阵列，而且可以通过统一的软件对其进行管理；(3)其程控功能使其可以和其它计算机程序集成在一起构成一个集成的测试软件系统；因此本发明可以促进压电材料在大型工程结构上的广泛应用以及结构健康监测等技术的工程化应用。 

四、附图说明

图1功率放大器电路模块组成及信号流； 

图2直流电源模块示意图，其中(a)为一种结构的直流模块示意图，(b)为另一种结构的直流模块示意图； 

图3计算机总线通讯接口模块示意图； 

图4功率放大模块示意图； 

图5本发明一个实施例的基于PCI系统总线的可程控功率放大器整体结构示意图； 

图6本发明一个实施例的计算机总线通讯接口模块电路结构原理图； 

图7本发明一个实施例的基于直流/直流开关电源的电源模块电路结构原理图； 

图8本发明一个实施例的功率放大模块电路结构原理图； 

图9本发明一个实施例的状态控制程序执行流程图。 

五、具体实施方式

如图1所示，本实施例的基于PCI计算机系统总线的可程控功率放大器包括直流电源模块、计算机总线通讯接口模块和功率放大模块，整体实现方案如图5所示。计算机总线电源作为整个功率放大器的总电源对功率放大模块(除集成运算功率放大器模块外)和直流电源模块供电。 

如图2(b)所示，直流电源模块包括电源开启模块、电源开启指示模块、开关电源模块和输出过流指示模块，因本实例为基于计算算机总线的插卡式功率放大器，所以采用直流/直流型开关电源对总线电源进行电压提升，然后输出高压直流电源给功率放大模块中的集成运算功率放大器模块供电。如果为了实现外部独立仪器式小型功率放大器，则采用如图2(a)所示交流/直流型开关电源模块。 

如图3所示，计算机总线通讯接口模块包括总线接口模块、译码器模块、程控驱动信号输出锁存模块和程控状态信号输入缓存模块；计算机总线通讯接口模块与计算机程序进行交互，根据控制任务交互信号产生电源开启驱动信号接通电源，此时直流电源开始工作。与此同时，计算机总线通讯接口模块向功率放大模块发出通断、增益、带宽控制信号按照计算机程序的设置对功率放大器模块进行控制，并读取控制状态监测功率放大器的工作。计算机总线通讯接口模块电路结构原理如图6所示。 

如图4所示，功率放大模块包括输入通断控制模块、信号带宽调节模块、增益调节模块、集成功率运算放大器模块和输出通断控制模块，外界待处理的小功率宽带信号依次经过输入通断控制模块、信号带宽调节模块、增益调节模块、集成功率运算放大器模块和输出通断控制模块处理成为大功率宽带信号。 

当对功率放大模块工作状态进行程控时，运行状态调节程序，程序指令被计算机微处理器编译链接并且执行以后由微处理器产生控制任务交互信号，这个信号里包含了所有和状态调节有关的信息包括程控代码、片选地址、写使能；控制任务交互信号通过PCI总线在总线接口芯片进行处理；总线接口芯片向译码器1发出写使能信号(这时读使能关闭)，片选地址信号A0，同时在数据总线上发出程控代码信号；译码器1使能后向输出锁存器发出输出使能信号；输出锁存器使能后读取程控代码信号并锁存输出程控驱动信号，此信号是一个8位的二进制信 号，包括电源开启驱动信号Dr0、输入通断控制信号Dr1、带宽调节信号Dr2，Dr3、增益调节信号Dr4，Dr5和输出通断控制信号Dr6。信号Dr0输入到电源模块中的电源开启继电器驱动电路，信号Dr1输入到功率放大模块中输入通断控制电路的模拟开关，信号Dr2，Dr3输入到功率放大模块中信号带宽调节电路的模拟开关，信号Dr4，Dr5输入到功率放大模块中增益调节电路的模拟开关，信号Dr6输入到功率放大模块中输出通断控制继电器驱动电路。Dr7没有用到，始终处于高电平状态。 

当对功率放大模块程控状态进行监控时，运行程控状态读取程序，程序指令被计算机微处理器编译链接并且执行以后由微处理器产生控制任务交互信号，这个信号里包含了所有和程控状态有关的信息包括程控状态代码、片选地址A1、读使能。控制任务交互信号通过PCI总线在总线接口芯片进行处理；总线接口芯片向译码模器2发出读使能信号(这时写使能关闭)，片选地址信号；译码器2向输入缓存器发出输入使能信号；输入缓存器从电源开启继电器驱动电路、功率放大模块中输入通断控制电路、信号带宽调节电路、增益调节电路、输出通断控制继电器驱动电路读取程控状态信号St0～St6并缓存输入到数据总线上由总线接口芯片负责接收。程控状态信号确定后通过总线接口芯片与总线通讯并进入微处理器，然后返回程控状态读取程序。 

本实施例的直流电源模块电路结构原理如图7所示，主要采用两个DC-DC升压型开关电源(图中DC1和DC2)，将PCI总线上的+12V电源转换成±80V恒压输出。使用+12V转±80V主要是考虑到在现行基于计算机总线的测试设备中，如工控机，PCI总线上只有+12V、+5V和+3.3V的电源功率较高，-12V的功率较低。不使用+5V转±80V主要是因为这种升压型开关电源模块在技术上实现难度较大，而+12V转±80V的升压型开关电源模块在目前是可以实现的。电路中，继电器驱动器U1A、二极管D1和D2、继电器K1和K2组成电源开启模块，该模块接收到来自计算机总线通讯接口模块的驱动信号Dr0后U1A驱动继电器K1和K2闭合，将总线上+12V电源引入后级开关电源模块，二极管D1和D2起到为继电器K1和K2泄流的作用。限流电阻R1、发光二极管X1组成电源开启提示模块，前模块继电器K1和K2闭合后，X1亮起，向用户表明电源已经开启。DC1和DC2组成DC-DC升压型开关电源模块，接收来自前级的总线电源，将其升压输出到±80V恒压。自恢复保险丝F1和F2、限流电阻R2和R3、发光二极管X2和X3组成输出过流指示模块，当负载发生短路并使得电源电流输出过大时，F1和F2断开，X2和X3亮起，向用户表明电源输出过流。 

本实施例的功率放大模块电路结构原理如图8所示。外界输入的小功率宽带信号输入首先通过有模拟开关S1组成的输入通断控制模块，该模块接收来自计 算机总线通讯接口模块的驱动信号Dr1后，内部开关导通并引入外界输入信号。模拟开关S2、电阻R1～R5、电容C1组成信号带宽调节模块，该模块实质上是一个1阶无源低通滤波反相跟随器，模拟开关S2受来自计算机总线通讯接口模块的驱动信号Dr2和Dr3控制选通R1～R4其中一个电阻，并与固定容值的电容C组成4档可调的低通滤波器，经过滤波以后的信号反相跟随到增益调节模块。该模块由模拟开关S3、输入电阻R6～R9、反馈电阻R10组成。模拟开关S3受来自计算机总线通讯接口模块的驱动信号Dr4和Dr5控制选通R6～R9其中一个电阻，并与固定阻值的反馈电阻R10组成4档增益可调电路。集成功率运算放大器模块由集成运算功率放大器U2、限流电阻R11、增益补偿电阻R12和补偿电容C2组成，U2受到增益调节的控制将输入信号以固定倍数进行反相电压提升，R11限制集成运算功率放大器的输出电流，避免集成运算功率放大器工作超出本身的安全区，R12和C12共同补偿集成运算功率放大器的增益，避免导致驱动容性负载时功率放大器产生自激振荡。经过电压提升后的信号进入由继电器驱动器U3A、二极管D1、继电器K1组成输出通断控制模块，该模块接收到来自计算机总线通讯接口模块的驱动信号Dr6后U3A驱动继电器K1闭合，功率放大器向负载输出大功率宽带激励信号。 

本实施例的基于PCI计算机系统总线的可程控功率放大器的状态控制程序分为状态调节程序和程控状态读取程序，状态控制程序可以分为两种工作情况：(1)以图形用户界面实现的；(2)作为一段代码嵌入其它应用程序。这两种实施情况的基本流程如图9所示。 

工作情况(1)： 

①编写状态控制程序图形用户界面，这个图形用户界面可以用LabVIEW，Visual C，Visual C++等等只要是支持C语言的开发环境来实现。 

②运行状态调节程序控制功率放大器的电源通断、工作通断、放大增益和放大带宽。 

③运行程控状态读取程序监视电源通断、工作通断、放大增益和放大带宽的程控状态。 

工作情况(2) 

①将状态控制程序写成待嵌入的应用程序的软件环境支持的代码，嵌入应用程序中。凡是支持C语言的应用程序都可将其嵌入。 

②运行状态调节程序控制功率放大器的电源通断、工作通断、放大增益和放大带宽。 

③运行程控状态读取程序监视电源通断、工作通断、放大增益和放大带宽的程控状态。 

Claims (3)

1.一种基于计算机总线的可程控功率放大器，其特征在于，包括直流电源模块、计算机总线通讯接口模块和功率放大模块，直流电源模块将外界电源转换后为功率放大模块供电，计算机总线通讯接口模块与计算机总线相连并向直流电源模块和功率放大模块输出控制信号，功率放大模块在计算机总线通讯接口模块的控制下对外界输入的小功率宽带信号进行功率放大；

其中，直流电源模块包括电源开启模块、开关电源模块和输出过流指示模块，外界电源依次经过电源开启模块、开关电源模块和输出过流指示模块转换为高功率直流电源供给功率放大模块；电源开启模块接收计算机总线通讯接口模块的开启控制；

计算机总线通讯接口模块包括总线接口模块、译码器模块、程控驱动信号输出锁存模块和程控状态信号输入缓存模块，计算机总线通讯接口模块接受来自于计算机总线的控制任务交互信号，向译码器模块输出片选地址信号和读写使能信号，并同时向程控驱动信号输出锁存模块输出程控驱动信号并读取程控状态信号输入缓存模块缓存输入的程控状态代码信号，译码器模块同时向程控驱动信号输出锁存模块和程控状态信号输入缓存模块输出使能信号，程控驱动信号输出锁存模块向直流电源模块中的电源开启模块和功率放大模块输出程控驱动信号；

功率放大模块包括输入通断控制模块、信号带宽调节模块、增益调节模块、集成功率运算放大器模块和输出通断控制模块，外界待处理的小功率宽带信号依次经过输入通断控制模块、信号带宽调节模块、增益调节模块、集成功率运算放大器模块和输出通断控制模块处理成为大功率宽带信号；

直流电源模块中的电源开启模块、功率放大模块中的输入通断控制模块、信号带宽调节模块、增益调节模块、集成功率运算放大器模块和输出通断控制模块各自接收来自于计算机总线通讯接口模块产生的程控驱动信号，并各自将其状态信号通过计算机总线中的程控状态信号输入缓存模块输入总线接口模块。

2.如权利要求1所述的基于计算机总线的可程控功率放大器，其特征在于，直流电源模块为交流/直流高功率型开关电源模块或者直流/直流升压型开关电源模块。

3.如权利要求1或2所述的基于计算机总线的可程控功率放大器，其特征在于，直流电源模块还包括电源开启提示模块。

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