CN106569540A - 一种基于无线数据传输隔离的高压放大器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无线数据传输隔离的高压放大器及其控制方法，包括主控制处理单元和若干副放大器单元；主控制处理器单元包括主单片机和连接主单片机的主射频数据收发模块和主供电模块；副放大器单元包括从射频数据收发模块、信号调理采集模块、从单片机、DDS波形合成模块、滤波器模块、继电器模块、同相\反向放大器模块和与从供电模块；从射频数据收发模块、信号调理采集模块、继电器模块、从供电模块与从单片机相连；从单片机、DDS波形发生模块、滤波器模块、继电器模块、同相\反向放大器模块顺序依次相连。本发明解决了通过隔离放大器隔离电压过低问题；同时解决了基于隔离放大器或光耦隔离的放大器波形畸变问题。

Description

一种基于无线数据传输隔离的高压放大器及其控制方法

技术领域

本发明涉及信号放大器技术领域，特别是涉及一种无线数据传输隔离的高压放大器。

背景技术

在高压频域介电响应测试领域、高压工业应用领域，多数情况下使用高压放大器作为激励源，并且要求高压放大器具有一定的带宽能力。目前市面上常采用经过隔离放大器或隔离光耦来实现级联放大。但由于隔离放大器和隔离光耦的隔离电压限制，因而其输出电压等级一般在2kV以下，并且上述两种形式都不同程度的引起原始信号波形失真。在高压频域介电响应测试领域，不仅要求激励源波形畸变率小，同时更高的输出电压可以反应介质的绝缘状态。上述两点要求表明，现有的高压放大器不能很好的满足实际需求。

与此同时，另外一种基于电压频率转换器的隔离放大器，通过将电压信号转换成频率调制信号，经光纤传递隔离后还原电压信号。这种光纤隔离方式隔离电压较高，但仍属于接触隔离，同时由于压频转换输出中含有脉冲成分，故其引起的波形失真要大于集成光耦器件隔离。并且基于压频转换和光纤的隔离方式，由于受制于压频转换频率限制，其放大器输出电压的频率一般在5kHz以下。对于频域介电响应，一般要求其电压波形大于10kHz，且频段越高越能反映介质在高频下介电特性。

同时对于利用开关器件实现的高压放大器，由于其原理本身限制，存在交越失真，波形失真会引起频域介电响应测试中介电谱曲线偏离。而对于经过变压器隔离的放大器，由于变压器的限制，其输出频域极其窄，完全无法满足高压测试领域需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无线数据传输隔离的高压放大器及其控制方法，克服以上技术问题，能够满足高压测试领域需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无线数据传输隔离的高压放大器，包括主控制处理单元和若干副放大器单元；

主控制处理器单元包括主单片机和连接主单片机的主射频数据收发模块和主供电模块；

副放大器单元包括从射频数据收发模块、信号调理采集模块、从单片机、DDS波形合成模块、滤波器模块、继电器模块、同相\反向放大器模块和与从供电模块；从射频数据收发模块、信号调理采集模块、继电器模块、从供电模块与从单片机相连；从单片机、DDS波形发生模块、滤波器模块、继电器模块、同相\反向放大器模块顺序依次相连。

进一步的，各副放大器单元的同相\反向放大器模块的输出端并联或串联。

进一步的，主供电模块和从供电模块均与市电隔离。

进一步的，主/从单片机型号为MSP430F149；信号调理采集模块型号为OPA2277；主/从射频数据收发模块型号为WLK01L139；DDS波形合成模块型号为AD9854；滤波器模块型号为OPA2277；继电器模块型号为SIP-HV1A05；同相\反向放大器模块型号为OPA454；主/从供电模块型号为TL783。

进一步的，所述基于无线数据传输隔离的高压放大器的输出电压能够达2万伏以上；具有20kHz以上的信号带宽；输出波形的总失真度低于0.1％，输出电流能够达50mA以上。

一种基于无线数据传输隔离的高压放大器的控制方法，在主控制处理单元中，主供电模块为主单片机和主射频数据收发模块供电，主单片机把将要生成波形的频率、幅值、相位由主射频收发模块发送给各副放大器单元，并附加CRC校验信息；在各副放大器单元收到波形信息后关闭CRC校验并以广播的形式发送执行脉冲；在执行脉冲发送后，主控制单元中的主单片机进入接收模式，接收各副放大器单元是否收到执行脉冲，若其中一个未收到，则停止所有副放大器单元的继电器导通，并重新发送执行指令；在副放大器单元中，由从射频收发模块接收到主控处理单元的指令传送给副放大器单元中的从单片机；从单片机先把将要生成波形的频率、幅值、相位信息送入DDS波形合成模块的缓冲寄存器；DDS波形合成模块等待随后的指令执行脉冲到达后将缓冲寄存器的内容写入状态寄存器并生成波形；在副放大器单元中，从单片机将执行命令送达后，启动定时器延时1s，在1s延迟时间内，通过信号调理采集模块采集DDS信号合成模块是否输出进行硬件校验，若无输出则向主控制处理单元反馈信息并等待新的执行脉冲；若波形执行脉冲成功触发，则导通继电器模块；波形生成后送入滤波器模块，滤波器模块滤除波形中的量化噪声；滤波后的波形由同相\反向放大器模块进行放大，放大后生成极性相反但频率、幅值相同的两个大幅值电压信号输出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)与通过隔离放大器和光纤隔离的放大器相比，本发明使用的通过无线信号传输隔离，隔离电压仅仅取决于供电变压器与市电的隔离电压，通过增加多级供电变压器，可以实现数万伏的输出电压，同时保持原有的带宽不变。

(2)与通过电压频率-频率电压转换且采用光纤隔离的放大器相比，本发明可以显著减少波形失真度。

(3)本发明所采用的元器件均为常见元件，成本低廉且性能良好。

附图说明

图1是本发明一种基于无线数据传输隔离的高压放大器的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

请参阅图1所示，本发明一种基于无线数据传输隔离的高压放大器，包括主控制处理单元和副放大器单元。其中主控制处理器单元包括主单片机、射频数据收发模块和供电模块。副放大器单元包括射频数据收发模块、信号调理采集模块、从单片机、DDS波形合成模块、滤波器模块、继电器模块、同相\反向放大器模块、与市电隔离的供电模块。

主控制处理单元中，射频数据收发模块、供电模块分别与主单片机模块相连。在副放大器单元中，射频数据收发模块、信号调理采集模块与从单片机相连；从单片机、DDS波形发生模块、滤波器模块、继电器模块、同相\反向放大器模块顺序依次相连。

其中，主从单片机型号为MSP430F149；信号调理采集模块型号为OPA2277；射频数据收发模块型号为WLK01L139；DDS波形合成模块型号为AD9854；滤波器模块型号为OPA2277；继电器模块型号为SIP-HV1A05；同相\反向放大器模块型号为OPA454；与市电隔离的供电模块型号为TL783。

在主控制处理单元中，由主单片机负责生成波形的频率、幅值、相位的控制指令，其中控制指令中还包括DDS指令执行脉冲。波形信息的控制指令首先经过无线收发模块传送给各个副放大器单元上的射频数据收发模块。射频数据收发模块经过CRC校验后，将指令送入从单片机并保存到DDS波形合成模块的状态寄存器上。

波形信息指令发送成功后关闭CRC软件校验，在主控制处理单元中，主单片机以广播的形式通过射频数据收发模块发送指令更新脉冲，各副放大器单元收到指令后立即触发DDS波形生成，并用定时器延迟1s触发继电器模块接通。在1s延迟时间内，通过信号调理采集模块采集DDS信号合成模块是否输出进行硬件校验，从而大幅降低了数据传输延迟带来的总输出波形失真以及射频传输丢包造成的输出错误。

本发明一种基于无线数据传输隔离的高压放大器的控制方法，包括：在主控制处理单元中，由与市电隔离的供电模块为主单片机和射频数据收发模块供电，主单片机把将要生成波形的频率、幅值、相位由射频收发模块发送给各副放大器单元，并附加CRC校验信息。在各副放大器单元收到波形信息后关闭CRC校验并以广播的形式发送执行脉冲。在执行脉冲发送后，主控制单元中的主单片机进入接收模式，接收各副放大器单元是否收到执行脉冲，若其中一个未收到，则停止所有副放大器单元的继电器导通，并重新发送执行指令。

在副放大器单元中，由射频收发模块接收到主控处理单元的指令传送给副放大器单元中的从单片机。从单片机先把将要生成波形的频率、幅值、相位信息送入DDS波形合成模块的缓冲寄存器。DDS波形合成模块等待随后的指令执行脉冲到达后将缓冲寄存器的内容写入状态寄存器并生成波形。在副放大器单元中，从单片机将执行命令送达后，启动定时器延时1s，在1s延迟时间内，通过信号调理采集模块采集DDS信号合成模块是否输出进行硬件校验，若无输出则向主控制处理单元反馈信息并等待新的执行脉冲。若波形执行脉冲成功触发，则导通继电器模块。波形生成后送入滤波器模块，滤波器模块滤除波形中的量化噪声。滤波后的波形由同相\反向放大器模块进行放大，放大后生成极性相反但频率、幅值相同的两个大幅值电压信号。

由于各副放大器单元均与市电隔离且各自之间无电气连接，故各副放大器单元输出的极性相反但频率、幅值相同的电压可以以任意形式并联或串联，通过并联可以提高电流输出能力，通过串联可以提高电压输出等级。串联方法为：输出A-和输出B+相连，输出A+和输出B-为总输出端。

本发明中所使用电容、电阻器件通过优选，以保证同样标值的元器件差别最小，将因硬件差异造成的误差降到最低范围。

本发明一种基于无线数据传输隔离的高压放大器，可以输出达2万伏以上的电压；具有20kHz以上的信号带宽；输出波形的总失真度低于0.1％，输出电流可达50mA以上，完全能够满足高压测试领域需求。

Claims (6)

1.一种基于无线数据传输隔离的高压放大器，其特征在于，包括主控制处理单元和若干副放大器单元；

主控制处理器单元包括主单片机和连接主单片机的主射频数据收发模块和主供电模块；

副放大器单元包括从射频数据收发模块、信号调理采集模块、从单片机、DDS波形合成模块、滤波器模块、继电器模块、同相\反向放大器模块和与从供电模块；从射频数据收发模块、信号调理采集模块、继电器模块、从供电模块与从单片机相连；从单片机、DDS波形发生模块、滤波器模块、继电器模块、同相\反向放大器模块顺序依次相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线数据传输隔离的高压放大器，其特征在于，各副放大器单元的同相\反向放大器模块的输出端并联或串联。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线数据传输隔离的高压放大器，其特征在于，主供电模块和从供电模块均与市电隔离。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线数据传输隔离的高压放大器，其特征在于，主/从单片机型号为MSP430F149；信号调理采集模块型号为OPA2277；主/从射频数据收发模块型号为WLK01L139；DDS波形合成模块型号为AD9854；滤波器模块型号为OPA2277；继电器模块型号为SIP-HV1A05；同相\反向放大器模块型号为OPA454；主/从供电模块型号为TL783。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线数据传输隔离的高压放大器，其特征在于，所述基于无线数据传输隔离的高压放大器的输出电压能够达2万伏以上；具有20kHz以上的信号带宽；输出波形的总失真度低于0.1％，输出电流能够达50mA以上。

6.权利要求1至5中任一项所述的一种基于无线数据传输隔离的高压放大器的控制方法，其特征在于，在主控制处理单元中，主供电模块为主单片机和主射频数据收发模块供电，主单片机把将要生成波形的频率、幅值、相位由主射频收发模块发送给各副放大器单元，并附加CRC校验信息；在各副放大器单元收到波形信息后关闭CRC校验并以广播的形式发送执行脉冲；在执行脉冲发送后，主控制单元中的主单片机进入接收模式，接收各副放大器单元是否收到执行脉冲，若其中一个未收到，则停止所有副放大器单元的继电器导通，并重新发送执行指令；

在副放大器单元中，由从射频收发模块接收到主控处理单元的指令传送给副放大器单元中的从单片机；从单片机先把将要生成波形的频率、幅值、相位信息送入DDS波形合成模块的缓冲寄存器；DDS波形合成模块等待随后的指令执行脉冲到达后将缓冲寄存器的内容写入状态寄存器并生成波形；在副放大器单元中，从单片机将执行命令送达后，启动定时器延时1s，在1s延迟时间内，通过信号调理采集模块采集DDS信号合成模块是否输出进行硬件校验，若无输出则向主控制处理单元反馈信息并等待新的执行脉冲；若波形执行脉冲成功触发，则导通继电器模块；波形生成后送入滤波器模块，滤波器模块滤除波形中的量化噪声；滤波后的波形由同相\反向放大器模块进行放大，放大后生成极性相反但频率、幅值相同的两个大幅值电压信号输出。