CN104570862B - 基于频域的高精度脉冲电源调节器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于频域的高精度脉冲电源调节器，包括直接数字频率合成器DDS、可编程器件FPGA、高精度数/模转换器DAC，直接数字频率合成器DDS产生不同频率的波形；高精度数/模转换器DAC输出模拟信号；可编程器件FPGA是控制单元和运算单元，FPGA作为控制单元实现对DDS和DAC的控制，作为运算单元实现频率‑幅值算法。本发明基于频域的高精度脉冲电源调节器解决了高精度的脉冲电源调节和大的存储空间的矛盾。

Description

基于频域的高精度脉冲电源调节器及方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲电源调节器，尤其是一种基于频域的高精度脉冲电源调节器。

背景技术

脉冲电源广泛的应用于离子加速器中，传统的脉冲电源控制器构成如图1所示：高速高精度数/模转换器DAC、微控制单元MCU、非易失性存储器Flash。如在专利CN101581920A中采用的控制器的结构。这种结构工作过程如图2所示：1、根据脉冲波形生成查找表，查找表的值为在t时刻DAC的输出电压值即y＝f(t)。2、将查找表的值更新到Flash中。3、MCU接收触发信号后一个脉冲周期开始。4、MCU从Flash中根据时间t读出相应的电压值。5、MCU控制DAC输出，其工作流程如图2所示。采用上述传统方法要提高脉冲电源的调节精度需要较大的存储空间来保存脉冲的波形文件，若要产生新的波形需要对波形文件进行更新。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于频域的高精度脉冲电源调节器解决了高精度的脉冲电源调节和大的存储空间的矛盾。

本发明的技术解决方案是：基于频域的高精度脉冲电源调节器，其特征在于：所述脉冲电源调节器包括直接数字频率合成器DDS、可编程器件FPGA、高精度数/模转换器DAC，直接数字频率合成器DDS产生不同频率的波形；高精度数/模转换器DAC输出模拟信号；可编程器件FPGA是控制单元和运算单元，FPGA作为控制单元实现对DDS和DAC的控制，作为运算单元实现频率-幅值算法。

一种基于频域的高精度脉冲调节方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)将脉冲电源上升时的波形分为电压开始上升段0<t<t1，为二次曲线；t1<t<t2电压变化为一条直线段，t2<t<t3段为二次曲线电压变化到稳态值；

2)在0-t1时间段，设频率变化函数为：

f(t)＝k_f×t (1)；

0-t1时，间段的脉冲计数为：

其中k_f是频率变化斜率，设DAC的精度为mbit，n个脉冲对应DAC的电压值为可得电压随时间变化满足要求的二次曲线变化的规律；

则当脉冲计数为：

0-t₁电压二次曲线上升过程结束；

2)在t1-t2时刻，设频率变化函数为f(t)＝f₀，其中f₀为常数，则脉冲计数为ΔN＝∫f₀dt＝f₀t，则可得电压变化函数为ΔV＝f₀t/n；当对脉冲计数为时，t1-t2电压以直线上升阶段结束；

3)在t2-t3时刻，设频率变化函数为f(t)＝-k_f(t-t₃)，其中k_f与0-t1段频率变化斜率相同，设t`＝t-t<sub>3</sub>可得f(t`)＝-k_ft`，可知t2-t3时间段脉冲计数为则电压变化函数为其中t`＝t-t₃，电压变化规律满足t₂-t₃时间段二次曲线的变化规律；当脉冲计数为 时脉冲上升过程完成。

上述步骤2)的具体实现方法是：由步骤1)可得在t1时刻将等式(3)带入等式(2)有化简可得：

将等式(4)带入等式(1)：

本发明的优点是：

1)调节精度高：可以达到逐bit的对电压进行调节其实验测试波形如图10所示，若用传统的查表法需要大量的存储空间来换取高精度的电压调节。

2)实时性好：采用该方法只需利用FPGA设计计数器计算即可完成对电压调节，而查表法需要对外部存储器进行读操作来完成电压调节。

附图说明

图1是本发明现有技术脉冲电源调节器结构示意图；

图2是现有技术传统脉冲电源电压调节器工作流程图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明脉冲电源上升过程示意图；

图5是0-t1段电压调节示意图；

图6是t1-t2段电压调节示意图；

图7是t2-t3段电压调节示意图；

图8是电压下降过程频率调节示意图；

图9是电压控制器FPGA实现框图；

图10是脉冲电源调节器上升过程测试图；

具体实施方式

本发明将时间-电压幅值的关系转换为频率-电压幅值的关系，建立脉冲计数与输出电压值的对应关系，通过控制频率变化产生所需脉冲的波形。本发明可实现高的电压控制精度，计算过程简单只需要乘法器和加/减法。其控制器结构如下图3所示：由直接数字频率合成器DDS、可编程器件FPGA、高精度数/模转换器DAC。其中DDS产生不同频率的波形。DAC输出模拟信号。FPGA是控制单元和运算单元，FPGA作为控制单元实现对DDS和DAC的控制，作为运算单元实现频率-幅值算法。

FPGA程序设计框图如图9所示，其中DDS接口模块负责与DDS进行通信实现对频率字写操作，脉冲计数器负责对DDS产生的脉冲进行加/减计数，频率控制模块根据脉冲计数来调节DDS的输出频率，电压映射模块负责建立脉冲计数和输出电压字之间的映射关系，DAC控制接口负责与DAC进行通信实现对电压字的写操作。

实现步骤：

图4为脉冲电源上升时的波形，电压开始上升段0<t<t1为二次曲线，t1<t<t2电压变化为一条直线段，t2<t<t3段为二次曲线电压变化到稳态值。

如图4所示波形基于频域的生成方法可按照下步骤：

在0-t1时间段，设频率变化函数为f(t)＝k_f×t,，可知0-t1时间段的脉冲计数为设DAC的精度为16bit，1个脉冲对应DAC的电压值为可得电压随时间变化满足要求的二次曲线变化的规律。则当脉冲计数为时，0-t₁电压二次曲线上升过程结束。在这过程中频率变化的斜率为 其示意图如图5所示，下半部分为频率变化规律曲线，上半部分为频率变化对应电压变化曲线。

在t1-t2时刻，设频率变化函数为f(t)＝f₀，其中f₀为常数，由步骤1)可得在t1时刻将等式(3)带入等式(2)有化简可得：

将等式(4)带入等式(1)：

则脉冲计数为ΔN＝∫ f₀dt＝f₀t，则可得电压变化函数为ΔV＝f₀t,可知电压变化规律满足设计要求。当对脉冲计数为时，t1-t2电压以直线上升阶段结束，这一过程频率为常数，示意图如图6所示。

在t2-t3时刻，设频率变化函数为f(t)＝-k_f(t-t3)，其中k_f与0-t₁段频率变化斜率相同，设t`＝t-t<sub>3</sub>可得f(t`)＝-k_ft`，可知t<sub>2</sub>-t<sub>3</sub>时间段脉冲计数为则电压变化函数为其中t`＝t-t₃，可知电压变化规律满足t₂-t₃时间段二次曲线的变化规律。当脉冲计数为时脉冲上升过程完成。其示意图如图7所示。

电源电压下降过程与上升过程相似，其具体示意图如图8所示。

Claims (3)

1.基于频域的高精度脉冲电源调节器，其特征在于：所述脉冲电源调节器包括直接数字频率合成器DDS、可编程器件FPGA、高精度数/模转换器DAC，直接数字频率合成器DDS产生不同频率的波形；高精度数/模转换器DAC输出模拟信号；可编程器件FPGA是控制单元和运算单元，FPGA作为控制单元实现对DDS和DAC的控制，作为运算单元实现频率-幅值算法。

2.一种基于权利要求1所述的基于频域的高精度脉冲电源调节器的调节方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)将脉冲电源上升时的波形分为电压开始上升段0<t<t1，为二次曲线；t1<t<t2电压变化为一条直线段，t2<t<t3段为二次曲线电压变化到稳态值；

2)在0-t1时间段，设频率变化函数为：

f(t)＝k_f×t (1)；

0-t1时，间段的脉冲计数为：

$\mathrm{\&Delta;}N=\&Integral;k_f\&times;tdt=\frac{1}{2}{k}_f\&times;t^2---\left(2\right);$

其中k_f是频率变化斜率，设DAC的精度为mbit，n个脉冲对应DAC的电压值为可得电压随时间变化满足要求的二次曲线变化的规律；

则当脉冲计数为：

0-t₁电压二次曲线上升过程结束；

2)在t1-t2时刻，设频率变化函数为f(t)＝f₀，其中f₀为常数，则脉冲计数为ΔN＝∫f₀dt＝f₀t，则可得电压变化函数为ΔV＝f₀t/n；当对脉冲计数为时，t1-t2电压以直线上升阶段结束；

3)在t2-t3时刻，设频率变化函数为f(t)＝-k_f(t-t₃)，其中k_f与0-t1段频率变化斜率相同，设t`＝t-t<sub>3</sub>可得f(t`)＝-k_ft`，可知t2-t3时间段脉冲计数为则电压变化函数为其中t`＝t-t₃，电压变化规律满足t₂-t₃时间段二次曲线的变化规律；当脉冲计数为时脉冲上升过程完成。

3.根据权利要求2所述的基于频域的高精度脉冲电源调节器的调节方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方法是：由步骤1)可得在t1时刻将等式(3)带入等式(2)有化简可得：

$k_f=\frac{2^{m-3}}{t_1^2}\&times;n---\left(4\right);$

将等式(4)带入等式(1)：