CN108146076B - 一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器 - Google Patents

一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，以Zynq Z‑7010SoC为主控制器，ARM/PS接收上位机发送的喷头驱动电压波形数据，而后将驱动电压波形数据传送到FPGA/PL中的数字脉宽调节器作为参考输入，与相应的ADC采集的VCOM反馈信号的差作为误差信号，输入到内部的滑模控制器，得到新的高精度PWM占空比；采用混合Σ‑Δ调制器产生调制信号，通过驱动功率管放大该调制信号，利用平滑滤波器使放大后的调制信号平滑，作为喷头驱动信号VCOM。由于本发明采用Zynq Z‑7010SoC实现全数字功率放大器，简化了硬件电路设计，提高了系统的带宽和稳定性；采用混合Σ‑Δ调制器，在11位的PWM下开关频率最高可以达6MHz，提高了输出的PWM的精度，使驱动信号VCOM的纹波小，精度高，保证了喷墨打印的质量。

Description

一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器
技术领域
本发明涉及喷墨打印机设备技术领域，具体涉及一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器。
背景技术
当对压电晶体施加物理压力时，材料内部正负电荷产生相对位移而被极化，导致晶体表面出现极性相反的束缚电荷，形成电场，这种由物理外力的作用而使晶体表面出现与外力成比例的电场的现象，叫做正压电效应；反之，当压电晶体置于外电场中，其内部正负电荷相对移位，又可导致压电晶体发生机械变形，形变的大小正比于所加的电场强度，这种由电场作用而产生的压电晶体表面形变现象，称为逆压电效应。
正是压电陶瓷具有的正逆压电效应，使得压电陶瓷驱动技术在压电喷墨打印机中得到广泛的应用。压电喷墨打印机的核心部件是打印头，它是由成百上千个直径极其微小的墨水通道组成，这些通道的数量，也就是喷墨打印机的喷孔数量，直接决定了喷墨打印机的打印精度。每个通道内部都附着压电陶瓷或者MEMS，当打印头的控制电路接收到驱动信号后，压电陶瓷随之产生伸缩使喷嘴中的墨汁喷出，在输出介质表面形成图案。
压电式喷头喷墨过程可分为以下四个阶段，如图2所示：
1、关闭状态：非打印状态，不施加驱动电压，压电陶瓷处于平衡状态，如图1A所示；
2、平衡状态：施加高电压，隔膜处于膨胀状态，如图1B所示；
3、充电状态：对压电陶瓷施加脉冲电压时，压电陶瓷向外延伸，使腔内墨水液面向内收缩，如图1C所示；
4、放电状态：去掉脉冲电压时，压电陶瓷又向内收缩，同时会将一滴微量的墨水通过喷嘴喷射出去，完成一次喷墨，然后恢复到平衡状态，等待喷射下一滴墨水，如图1D所示。
为了实现压电式喷头喷墨四个过程，需要在压电陶瓷上施加相应的驱动信号，该驱动信号的电压幅值为0～36V或者0～-36V，压摆率SR为30～40V/us，精度<±0.5V。产生压电式喷头驱动信号的功率放大电路按拓扑的结构不同分为模拟线性功率放大电路和PWM式数字功率放大电路。
模拟线性功率放大电路主要通过模拟运放器件实现电压和电流放大输出，这类放大电路主要工作在AB类，在输出功率情况下，损耗在内部电路中，造成严重浪费，因此效率比较低，一般只能达到50％左右；同时大功率输出时，需要散热器，因此体积较大，不容易小型化。
模拟线性功率放大电路的这些缺点，使得PWM式数字功率放大电路逐渐开始应用于压电陶瓷的驱动电路。PWM式数字功率放大电路不同于模拟线性功率放大电路，它采用切换电压方式的同时用数字信号控制导通时间来放大信号，其输出级的工作状态不是完全导通就是完全截止，因此输出器件的功耗非常小，使它的效率远比模拟线性功率放大电路类要高，同时PWM式数字功率放大电路的效率和输入信号的大小无关。通常在电源电压为额定值时，PWM式数字功率放大电路的效率达80％以上，其平均效率大约要比模拟线性功率放大电路高2-3倍，同时在输出功率一样的情况下，PWM式数字功率放大电路的表面温度会远远低于模拟线性功率放大电，因此使用时不需或者只需要一个很小的散热器，大大减小了PWM式数字功率放大电路的体积。
在下述专利文献中，采用PWM式数字功率放大电路实现喷墨打印机压电陶瓷的驱动。
专利文献1：授权公告号CN 103916104 B
专利文献2：授权公告号CN 1013946234 B
但上述均文献产生PWM信号均是通过模拟比较器产生的，比较器的一端接给定的参考电压，另一端接周期性线性增加的锯齿波电压。当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。改变参考电压就可以改变PWM波形中高电平的宽度，因此外围电路比较复杂。同时，如果与数字控制器连接，还需额外加DAC，将数字信号转变成模拟信号，增加了成本，减低了电路的稳定性。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，与一上位机通信连接，包括：主控制器、放大电路、平滑滤波电路和模数转换器ADC，
其中，所述主控制器的型号为Zynq Z-7010 SoC，包括处理模块ARM/PS和可编程逻辑模块FPGA/PL，其中，所述可编程逻辑模块FPGA/PL内设有至少一个数字脉宽调节器，所述数字脉宽调节器输出的带宽调制信号依次经过所述放大电路和平滑滤波电路处理后，输出喷头电压驱动信号VCOM；
所述处理模块ARM/PS与所述上位机相连，用于接收所述上位机发送的喷头驱动参考信号WCOM并将所述喷头驱动参考信号WCOM作为参考信号VREF输送给所述数字脉宽调节器；所述模数转换器ADC，输入端与所述平滑滤波电路相连，输出端与所述数字脉宽调节器相连，用于采集所述平滑滤波电路输出的喷头电压驱动信号VCOM作为反馈信号输出给所述数字脉宽调节器。
优选地，所述FPGA/PL内设有四个数字脉宽调节器DPWM_i，任一所述数字脉宽调节器DPWM_i的输出端连接有一个处理电路，任一所述处理电路设有所述放大电路、平滑滤波电路和模数转换器ADC；其中，i＝1、2、3、4，DPWM_i表示第i个数字脉宽调节器。
优选地，所述处理模块ARM/PS通过USB3.0总线与所述上位机相连，通过AXI_HP总线分别与四个数字脉宽调节器DPWM_i相连。
优选地，任一所述处理电路的放大电路包括栅极驱动模块及与所述栅极驱动模块连接的上下桥臂放大电路，其中，所述上下桥臂放大电路的上桥臂设有N沟道功率MOSFETQ1，下桥臂设有N沟道功率MOSFET Q2。
优选地，所述数字脉宽调节器包括：
数字比较器，用于比较所述喷头电压驱动信号VCOM和参考信号VREF的波形特征，得到波形特征误差值；
滑膜控制器，连接在所述数字比较器的输出端，用于利用滑膜控制算法对所述波形特征误差值进行计算，得到下一个控制周期的PWM信号占空比；
DPWM调制器，连接在所述滑膜控制模块的输出端，用于将滑模控制器输出的下一个控制周期的PWM信号占空比调制成11位精度的PWM信号；
死区控制模块，连接在所述DPWM调制器的输出端，用于控制所述MOSFET Q1和MOSFET Q2的开关和导通的延时时间。
优选地，所述DPWM调制器包括：
二阶Σ-Δ调制器，用于截取所述11位精度的PWM信号的占空比的高5位，以降低实际PWM信号的位数并获得等效的高分辨率的PWM信号；
高频同步计数器，其输入端与二阶Σ-Δ调制器相连，输出端与所述延迟器相连，所述高频同步计数器132用于对经二阶Σ-Δ调制器131降维后的5位PWM采用计数法实现高3位的PWM信号的输出，以减少了对系统时钟频率的需求，同时降低系统的损耗；
延迟器133利用延时器算法简单、效率高的特点，用于对经二阶Σ-Δ调制器131降维后的5位PWM采用延迟法实现低2位的PWM信号输出。延迟器133采用FPGA内部的PLL产生4路相位相差90o的时钟信号，经4选1选择器选通后与高频同步计数器132输出的PWM信号进行求或运算，最终得到高精度的PWM脉冲输出。
优选地，所述高频同步计数器的时钟信号由所述主控制器的锁相环PLL产生的0°相位延迟信号CLK0提供；所述高频同步计数器包括：比较模块、三位同步计数器、三位占空比比较器、三位计数满比较器和与逻辑运算单元，
其中，所述比较模块，与所述二阶Σ-Δ调制器的输出端连接，用于将所述11位精度的PWM信号的占空比的高5位分为2位低有效位LSB和3位高有效位MSB；其中，3位高有效位MSB送入所述占空比比较器，2位低有效位LSB则作为多路选择信号送入所述延迟器；
所述三位同步计数器，用于对时钟信号进行计数，输出时钟信号计数值；
所述三位占空比比较器，其一端与所述三位同步计数器的输出端连接，另一端与所述比较模块的输出端连接，用于比较所述3位高有效位MSB和时钟信号计数值的大小，并在MSB小于时钟计数值时，输出高电平，否则，输出低电平；
所述三位计数满比较器，其一端与所述三位同步计数器的输出端连接，另一端与一常数模块连接，所述常数模块中预存有设定值；所述三位计数满比较器用于在所述时钟计数值等于设定值时，向所述三位同步计数器输出高电平，以使所述三位同步计数器置零；
所述与逻辑运算单元，用于对所述三位占空比比较器的输出信号、三位计数满比较器的输出信号及上一状态的PWM信号进行逻辑运算，以输出当前状态的PWM信号。
优选地，所述延迟器包括三个D触发器、四路数据选择器和或逻辑运算单元，其中，
所述主控制器的锁相环PLL将外部输入的12MHz时钟倍频进行相位延迟，输出4路相位相差90°的48M时钟信号，分别记为CLK0、CLK90、CLK180、CLK270；其中，CLK90、CLK180、CLK270作为触发信号分别输入到三个D触发器的时钟信号输入端；所述高频同步计数器输出的PWM信号作为待选信号分别输入到三个D触发器的数据输入端；
所述高频同步计数器输出的PWM信号及三个D触发器输出的脉冲信号分别输入到四路数据选择器的四个数据输入端，所述高频同步计数器输出的2位低有效位LSB作为多路选择信号输入到所述四路数据选择器的控制信号输入端；
所述四路数据选择器的输出信号与所述高频同步计数器输出的PWM信号经过所述或逻辑运算单元求或输出11位精度的PWM信号。
优选地，所述死区控制模块包括延迟模块、与逻辑运算模块、或逻辑运算模块、电流方向判断模块和选择器，其中，
所述延迟模块，用于对所述DPWM调制器输出的PWM信号进行Δt延迟，输出延迟信号Pdelay，其中，Δt≥0；
所述或逻辑运算模块，其一端与所述DPWM调制器的输出端连接，另一端与所述延迟模块的输出端连接；用于对所述延迟信号Pdelay与所述DPWM调制器输出的PWM信号进行求或运算，得到DPWM上升沿延迟信号Ps1＝PWM||Pdelay；
所述与逻辑运算模块，其一端与所述DPWM调制器的输出端连接，另一端与所述延迟模块的输出端连接；用于对所述延迟信号Pdelay与所述DPWM调制器输出的PWM信号进行求与运算，得到DPWM下降沿延迟信号Ps2＝PWM&Pdelay；
所述选择器的数据输入端分别与所述或逻辑运算模块、与逻辑运算模块的输出端连接，所述选择器的信号控制端与电流方向判断模块的输出端连接，当电流i>0时，所述选择器输出PS1；当电流i<0时，所述选择器输出PS2。
优选地，所述平滑滤波电路包括由电容C1、C2和电感L组成的低通滤波器。
本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
首先，本发明提供的这种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，采用Zynq Z-7010 SoC作为主控制器，主控制器内部的ARM/PS接收上位机发送的喷头驱动参考信号WCOM，并将所述喷头驱动参考信号WCOM作为参考信号VREF输送给数字脉宽调节器，该信号经调制后驱动放大电路放大、平滑滤波电路滤波，输出平滑的VCOM驱动信号，驱动喷头，实现墨滴的精确喷出。由于本发明采用全数字接口，用数字比较器代替模拟比较器，与模拟控制相比，省去了外接的D/A转换器和模拟比较器，FPGA/PL外部连线很少，简化了电路设计，提高了放大器的稳定性；同时由于数字功率放大器的效率高，不需要额外的散热装置，减少了放大器的体积，易于实现小型化。
其次，采用基于滑模控制的全闭环控制策略，滑膜控制器将上位机发送的喷头驱动参考信号WCOM作为参考信号VREF与模数转换器ADC采集的喷头电压驱动信号VCOM进行比较，误差作为滑模控制器的输入，得到下一个控制周期的PWM信号占空比，再由DPWM调制器调制输出11位精度的PWM信号，经由死区控制模块死区补偿后驱动功率MOSFET Q1和Q2，得到放大的调制信号，利用平滑滤波电路使放大后的调制信号平滑，作为喷头驱动信号VCOM，使得系统具有快速良好的瞬态响应，对参数摄动及外界干扰具有强鲁棒性，而且总的谐波失真小。
再者，DPWM调制器采用二阶Σ-Δ调制器实现高频、高精度的PWM输出，将输入的高精度波形信号量化为低精度信号，而且仍然保持了信号的信噪比指标。本发明在传统的MASH结构基础上，每级之间加一条反馈回路，该方法能有效地消除现有技术中多位DAC非线性化而带来的误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A～1D为本发明背景技术提供的压电式喷头喷墨过程的工作原理示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器的整体示意框图；
图3为本发明一实施例提供的一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器的局部示意框图；
图4为本发明一实施例提供的上位机发送的喷头驱动参考信号WCOM波形；
图5为图4所示的全数字功率放大器的等效模型；
图6为本发明一实施例提供的DPWM调制器的示意框图；
图7为本发明一实施例提供的死区控制模块的示意框图；
图8为图7所示的死区控制模块脉冲修正后的波形；
图9为本发明一实施例提供的ADC的工作原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
参见图2和图3，本发明一实施例提供的一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，与一上位机通信连接，包括：主控制器1、放大电路2、平滑滤波电路3和模数转换器ADC 4，
其中，所述主控制器1的型号为Zynq Z-7010SoC，包括处理模块ARM/PS和可编程逻辑模块FPGA/PL，其中，所述可编程逻辑模块FPGA/PL内设有至少一个数字脉宽调节器，所述数字脉宽调节器输出的带宽调制信号依次经过所述放大电路2和平滑滤波电路3处理后，输出喷头电压驱动信号VCOM；
所述处理模块ARM/PS与所述上位机相连，用于接收所述上位机发送的喷头驱动参考信号WCOM并将所述喷头驱动参考信号WCOM作为参考信号VREF输送给所述数字脉宽调节器；所述模数转换器ADC 4，输入端与所述平滑滤波电路3相连，输出端与所述数字脉宽调节器相连，用于采集所述平滑滤波电路3输出的喷头电压驱动信号VCOM作为反馈信号输出给所述数字脉宽调节器。
优选地，所述FPGA/PL内设有四个数字脉宽调节器DPWM_i，任一所述数字脉宽调节器DPWM_i的输出端连接有一个处理电路，任一所述处理电路设有所述放大电路2、平滑滤波电路3和模数转换器ADC 4；其中，i＝1、2、3、4，DPWM_i表示第i个数字脉宽调节器。
优选地，所述处理模块ARM/PS通过USB3.0总线与所述上位机相连，通过AXI_HP总线分别与四个数字脉宽调节器DPWM_i相连。
需要说明的是，Zynq Z-7010 SoC是Xilinx一款全可编程片上系统，包含两部分，分别是处理器(ARM Cortex-A9 Core)，简称PS(Processing System)；可编程部分(FPGA)，简称PL(Programmable Logic)。由于Zynq Z-7010 SoC内部集成AXI_HP、AXI_GP、AXI_ACP三种接口通信，带宽可达吉比特，因此克服了传统分离的FPGA+ARM架构二者通信带宽不足的缺点。
ARM/PS通过USB3.0从口与上位机进行数据的交互，带宽可到100MB。是SOC内部的FPGA/PL，包含4路独立的全数字功率放大器DPWM_i，可以同时调制4路高精度的喷头驱动波形。每路调制后的PWM波经栅极驱动模块器，控制功率MOSFET IRF6665将调制信号进行放大；利用LC低通滤波电路对每路放大后的调制信号进行滤波平滑，得到纹波小，精度高的喷头驱动信号VCOM。VCOM电压的幅值通过10位高速ADC采集，作为DPWM_i的反馈输入，调节输出的VCOM电压。
参见图4，上位机根据不同的喷头、墨水，自动生成不同的喷头驱动参考信号WCOM，存储到本地的存储器中。该驱动波形WCOM下降部分是扩大与喷嘴连通的腔室的容积，吸入墨液；驱动波形WCOM的上升部分是缩小腔室的容积，挤出墨液。打印时，上位机将该驱动波形WCOM数据和图像数据通过USB3.0接口传送到Zynq Z-7010 SoC中的ARM/PS，再作为每个DPWM_i的参考电压输入到DPWM_i中。
优选地，任一所述处理电路的放大电路2包括栅极驱动模块21及与所述栅极驱动模块21连接的上下桥臂放大电路，其中，所述上下桥臂放大电路的上桥臂设有N沟道功率MOSFET Q1，下桥臂设有N沟道功率MOSFET Q2。
需要说明的是，本发明采用集成的Si8233栅极驱动模块实现对调制信号的放大，驱动功率MOSFET。该器件采用自举式栅极驱动技术，实现调制信号的电平转换。
优选地，所述数字脉宽调节器包括：
数字比较器11，用于比较所述喷头电压驱动信号VCOM和参考信号VREF的波形特征，得到波形特征误差值；
滑膜控制器12，连接在所述数字比较器11的输出端，用于利用滑膜控制算法对所述波形特征误差值进行计算，得到下一个控制周期的PWM信号占空比；
DPWM调制器13，连接在所述滑膜控制模块12的输出端，用于将滑模控制器输出的下一个控制周期的PWM信号占空比调制成11位精度的PWM信号；
死区控制模块14，连接在所述DPWM调制器13的输出端，用于控制所述MOSFET Q1和MOSFET Q2的开关和导通的延时时间。
可以理解的是，本发明提供的这种全数字功率放大器属于DC/DC开关变换器，属于一种时变、非线性开关电路，在工作过程中受开关量的控制功率MOSFET的导通与关闭，其等效模型如图5所示。因此，传统的线性PID控制器并不是最理想的控制器，而应选择诸如滑模控制等非线性控制器。近年来，大量研究表明，DC/DC开关变换器中采用滑模控制，可以提高系统瞬态响应，提高系统对参数摄动及外界干扰的鲁棒性，而且输出信号总的谐波失真小，电路实现简单。但由于开关频率的限制，DC/DC应用中的滑模控制是在有限的开关频率中实现的，因此并不是真正意义上的纯滑模控制，而是一种准滑模控制，这种滑模控制器的裕度窄，控制律u的取值仅限于{0,1}。
假定全数字功率放大器按照CCM Buck变换器工作，则可以得到全数功率放大器的状态方程为：
其中：xT＝[iL uC],u为占空比0≤u≤1。
设定输入电压Vref与输出电压Vout误差e＝Vref-Vout，则输出电压误差一阶为
为了保证误差e＝0，设计滑模切换函数如式(2)：
式中为设计的滑模系数。为了保证系统响应高，必须保证/>的值不能太小，假定取/>由于喷墨打印机喷头的压电陶瓷可等为效容性负载，因此式中的C等效值可达uF级，会使得/>足够大。但是过大的/>会影响控制电路的设计，为了保证/>足够小存在区域足够大，选择切换函数如式(3)：
式中d为PWM脉冲占空比，u为滑模控制器的输出。由于/>满足滑模到达条件，因此选择合理的切换系数C,能保证滑模降介系统的稳定性。联立式(1)、(3)、(4)可得本发明的滑模控制器的输出值u为：
参见图6，优选地，所述DPWM调制器13包括：
二阶Σ-Δ调制器131，用于截取所述11位精度的PWM信号的占空比的高5位，以降低实际PWM信号的位数并获得等效的高分辨率PWM信号；
高频同步计数器132，其输入端与二阶Σ-Δ调制器131相连，输出端与所述延迟器133相连，所述高频同步计数器132用于对经二阶Σ-Δ调制器131降维后的5位PWM采用计数法实现高3位的PWM信号的输出，以减少了对系统时钟频率的需求，同时降低系统的损耗；
延迟器133利用延时器算法简单、效率高的特点，用于对经二阶Σ-Δ调制器131降维后的5位PWM采用延迟法实现低2位的PWM信号输出。延迟器133采用FPGA内部的PLL产生4路相位相差90o的时钟信号，经4选1选择器选通后与高频同步计数器132输出的PWM信号进行求或运算，最终得到高精度的PWM脉冲输出。
需要说明的是，喷墨打印的驱动信号VCOM，一般电压范围2～36V或者0～36V，精度≤±0.5V，压摆率SR为30～50V/us。为了满足驱动波形对精度、压摆率SR的要求，采用PWM开关频率选择6MHz，PWM精度采用11位。如果采用计数器比较法产生满足上述指标要PWM信号，则系统的时钟频率为211×6MHz＝12GHz，一般的控制器很难实现，必须采用有效的方法降低系统的时钟频率，简化电路的设计。Σ-Δ是一种有效的降低输入信号精度的调制器，调制器以用时间换取高精度，经过几个开关周期，低精度输入的平均效果就相当于一个高精度占空比的效果。但是Σ-Δ的噪声传递函数还缺乏标准和足够的理论判据来证明Σ-Δ模块的稳定性，因此很难精确分析高阶Σ-Δ模块的稳定性。
因此，本发明提供的DPWM调制器采用以二阶Σ-Δ为基础，延迟法和高频同步计数比较法相结合的调制方法，实现高精度PWM的输入，从而实现高精度、纹波小的驱动波形VCOM输出。
Σ-Δ调制器由2个加法器、一个延迟模块和一个截断器构成，其输入、输出的Z变换如下：
其中信号传递函数为：
噪声整形传递函数为:
当||H(z)||>>1时，噪声信号能被抑制，即dLR[n]≈d[n]。因此通过选择合适的H(z)可以使得信号d(z)在频带内增益保存不变，噪声信号etr(z)在频带内有效地衰减，从而提高信号在频带内的信噪比。因此，本发明设计二阶Σ-Δ调制器，取11位精度占空比高5位，能够有力地抑制低频tones，并且更快的收敛。
优选地，所述高频同步计数器132的时钟信号由所述主控制器1的锁相环PLL产生的0°相位延迟信号CLK0提供；所述高频同步计数器132包括：比较模块1321、三位同步计数器1322、三位占空比比较器1323、三位计数满比较器1324和与逻辑运算单元1325，
其中，所述比较模块1321，与所述二阶Σ-Δ调制器131的输出端连接，用于将所述11位精度的PWM信号的占空比的高5位分为2位低有效位LSB和3位高有效位MSB；其中，3位高有效位MSB送入所述占空比比较器1323，2位低有效位LSB则作为多路选择信号送入所述延迟器133；
所述三位同步计数器1322，用于对时钟信号进行计数，输出时钟信号计数值；
所述三位占空比比较器1323，其一端与所述三位同步计数器1322的输出端连接，另一端与所述比较模块1321的输出端连接，用于比较所述3位高有效位MSB和时钟信号计数值的大小，并在MSB小于时钟计数值时，输出高电平，否则，输出低电平；
所述三位计数满比较器1324，其一端与所述三位同步计数器1322的输出端连接，另一端与一常数模块连接，所述常数模块中预存有设定值111；所述三位计数满比较器1324用于在所述时钟计数值等于设定值111时，向所述三位同步计数器1322输出高电平，以使所述三位同步计数器1322置零；
所述与逻辑运算单元1325，用于对所述三位占空比比较器1323的输出信号、三位计数满比较器1324的输出信号及上一状态的PWM信号进行逻辑运算，以输出当前状态的PWM信号。
可以理解的是，二阶Σ-Δ调制器调制后得到的11位精度占空比高5位，输入高频同步计数的比较模块。5位占空比输入到该模块后被分成两部分：2位的低有效位LSB和3位的高有效位MSB。
三位同步计数器来对时钟的上升沿进行计数，每接收一个高电平脉冲信号，计数器的计数值加1，直到计数值达到占空比时，计数器清零。
优选地，所述延迟器133包括三个D触发器1331、四路数据选择器1332和或逻辑运算单元1333，其中，
所述主控制器1的锁相环PLL将外部输入的12MHz时钟倍频进行相位延迟，输出4路相位相差90°的48M时钟信号，分别记为CLK0、CLK90、CLK180、CLK270；其中，CLK90、CLK180、CLK270作为触发信号分别输入到三个D触发器1331的时钟信号输入端；所述高频同步计数器132输出的PWM信号作为待选信号分别输入到三个D触发器1331的数据输入端；
所述高频同步计数器132输出的PWM信号及三个D触发器1331输出的脉冲信号分别输入到四路数据选择器1332的四个数据输入端，所述高频同步计数器132输出的2位低有效位LSB作为多路选择信号输入到所述四路数据选择器1332的控制信号输入端；
所述四路数据选择器1332的输出信号与所述高频同步计数器132输出的PWM信号经过所述或逻辑运算单元1333求或输出11位精度的PWM信号。
需要说明的是，延迟法即利用了信号通过逻辑单元所产生的传播延迟时间。延迟法理论上每个延迟单元的传播时延相等，由此对时间进行了均匀量化，达到增加DPWM分辨率的目的。使用2n个延迟单元即可将单位时间分为2n小格，实现分辨率为n的DPWM。
参见图7和图8，优选地，所述死区控制模块14包括延迟模块141、与逻辑运算模块142、或逻辑运算模块143、电流方向判断模块144和选择器145，其中，
所述延迟模块141，用于对所述DPWM调制器输出的PWM信号进行Δt延迟，输出延迟信号Pdelay，其中，Δt≥0；
所述或逻辑运算模块143，其一端与所述DPWM调制器13的输出端连接，另一端与所述延迟模块141的输出端连接；用于对所述延迟信号Pdelay与所述DPWM调制器13输出的PWM信号进行求或运算，得到DPWM上升沿延迟信号Ps1＝PWM||Pdelay；
所述与逻辑运算模块142，其一端与所述DPWM调制器13的输出端连接，另一端与所述延迟模块141的输出端连接；用于对所述延迟信号Pdelay与所述DPWM调制器13输出的PWM信号进行求与运算，得到DPWM下降沿延迟信号Ps2＝PWM&Pdelay；
所述选择器145的数据输入端分别与所述或逻辑运算模块143、与逻辑运算模块142的输出端连接，所述选择器145的信号控制端与电流方向判断模块144的输出端连接，当电流i>0时，所述选择器145输出PS1；当电流i<0时，所述选择器145输出PS2。
可以理解的是，由于开关管Q1和Q2自身的特性，开通和关断都需要一定的时间，且关断时间比开通时间要长。因此，若按照理想的触发信号控制开关管的开通和关断，就可能导致功率管Q1和Q2同时导通而损坏器件。为了防止这种同时导通现象的发生，必须在开通和关断之间插入一定延时的时间，这个延时时间就称为死区。但由于设置死区所引起的反馈二极管续流，会使输出电压基波幅值减小，并产生出与死区时间Δt及载波比N成比例的3、5、7等高次谐波，因此，必须要对死区的这种不良影响进行补偿。
参见图2和图3，优选地，所述平滑滤波电路4包括由电容C1、C2和电感L组成的低通滤波器。
可以理解的是，平滑滤波电路由电感和电容构成低通滤波器，使功率MOSFET输出的髙次谐波成分，即功率放大调制信号成分充分衰减，而保留驱动喷头的驱动成分VCOM。
另外，可以理解的是，数字功率放大器实现的主要难点包括模数转换器ADC及DPWM在高频状态下其分辨率和功耗之间矛盾平衡。其中，ADC的采样控制由FPGA/PL的ADC控制模块实现，见图3。为了获得更精确的电压输出，ADC的采样分辨率应该提高，使得ADC转换最小位值VLSB所代表的采样值小于输出允许的纹波值ΔV，即：
式中G是反馈系数，Vref是参考电压，Vout是输出电压，Vmax是输出最大电压。因此，得到ADC所需的最小分辨率NADC可表示为：
为了得到高精度输出驱动信号，DPWM的分辨率NDPWM要求越高越好；而且为了抑制电压输出的极限环，NDPWM至少应比ADC分辨率大一位，即：
NDPWM≥NADC+1 (11)
参见图9，本发明为了得到11位的PWM精度，选用10位的ADC作为反馈采样，其型号为ADC10D20，如图9所示。该ADC是双通道并行10位输出41和42，采样率30MSPS，满足6M开关频率的要求。ADC 43设在第一通道，实现对喷头电压驱动信号VCOM1的采样；ADC 44设在第二通道，实现对喷头电压驱动信号VCOM2的采样；两个独立的10位ADC输出结果41和42分别送到对应的DPWM_1和DPWM_2中，实现闭环控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

Claims (7)

1.一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，其特征在于，与一上位机通信连接，包括：主控制器、放大电路、平滑滤波电路和模数转换器ADC，
其中，所述主控制器的型号为ZynqZ-7010SoC，包括处理模块ARM/PS和可编程逻辑模块FPGA/PL，其中，所述可编程逻辑模块FPGA/PL内设有至少一个数字脉宽调节器，所述数字脉宽调节器输出的脉宽调制信号依次经过所述放大电路和平滑滤波电路处理后，输出喷头电压驱动信号VCOM；
所述处理模块ARM/PS与所述上位机相连，用于接收所述上位机发送的喷头驱动参考信号WCOM并将所述喷头驱动参考信号WCOM作为参考信号VREF输送给所述数字脉宽调节器；所述模数转换器ADC，输入端与所述平滑滤波电路相连，输出端与所述数字脉宽调节器相连，用于采集所述平滑滤波电路输出的喷头电压驱动信号VCOM作为反馈信号输出给所述数字脉宽调节器；
所述FPGA/PL内设有四个数字脉宽调节器DPWM_i，任一所述数字脉宽调节器DPWM_i的输出端连接有一个处理电路，任一所述处理电路设有所述放大电路、平滑滤波电路和模数转换器ADC；其中，i＝1、2、3、4，DPWM_i表示第i个数字脉宽调节器；
任一所述处理电路的放大电路包括栅极驱动模块及与所述栅极驱动模块连接的上下桥臂放大电路，其中，所述上下桥臂放大电路的上桥臂设有N沟道功率MOSFETQ1，下桥臂设有N沟道功率MOSFETQ2；
所述数字脉宽调节器包括：
数字比较器，用于比较所述喷头电压驱动信号VCOM和参考信号VREF的波形特征，得到波形特征误差值；
滑膜控制器，连接在所述数字比较器的输出端，用于利用滑膜控制算法对所述波形特征误差值进行计算，得到下一个控制周期的PWM信号占空比；
DPWM调制器，连接在所述滑膜控制模块的输出端，用于将滑模控制器输出的下一个控制周期的PWM信号占空比调制成11位精度的PWM信号；
死区控制模块，连接在所述DPWM调制器的输出端，用于控制所述MOSFETQ1和MOSFETQ2的开关和导通的延时时间。
2.根据权利要求1所述的用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，其特征在于，所述处理模块ARM/PS通过USB3.0总线与所述上位机相连，通过AXI_HP总线分别与四个数字脉宽调节器DPWM_i相连。
3.根据权利要求1所述的用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，其特征在于，所述DPWM调制器包括：
二阶Σ-Δ调制器，用于截取所述11位精度的PWM信号的占空比的高5位，以降低实际PWM信号的位数并获得等效的高分辨率PWM信号；
延迟器，用于对经二阶Σ-Δ调制器（131）降维后的5位PWM信号采用延迟法实现低2位的PWM信号输出；延迟器采用FPGA/PL内部的锁相环PLL产生4路相位相差90°的时钟信号，经四路数据选择器选通后与高频同步计数器输出的PWM信号进行求或运算，最终得到高精度的PWM脉冲输出；
高频同步计数器，其输入端与二阶Σ-Δ调制器相连，输出端与所述延迟器相连，所述高频同步计数器（132）用于对经二阶Σ-Δ调制器（131）降维后的5位PWM信号采用计数法实现高3位的PWM信号的输出，以减少了对系统时钟频率的需求，同时降低系统的损耗。
4.根据权利要求3所述的用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，其特征在于，所述高频同步计数器的时钟信号由所述主控制器的锁相环PLL产生的0°相位延迟信号CLK0提供；所述高频同步计数器包括：比较模块、三位同步计数器、三位占空比比较器、三位计数满比较器和与逻辑运算单元，
其中，所述比较模块，与所述二阶Σ-Δ调制器的输出端连接，用于将所述11位精度的PWM信号的占空比的高5位分为2位低有效位LSB和3位高有效位MSB；其中，3位高有效位MSB送入所述占空比比较器，2位低有效位LSB则作为多路选择信号送入所述延迟器；
所述三位同步计数器，用于对时钟信号进行计数，输出时钟信号计数值；
所述三位占空比比较器，其一端与所述三位同步计数器的输出端连接，另一端与所述比较模块的输出端连接，用于比较所述3位高有效位MSB和时钟信号计数值的大小，并在MSB小于时钟计数值时，输出高电平，否则，输出低电平；
所述三位计数满比较器，其一端与所述三位同步计数器的输出端连接，另一端与一常数模块连接，所述常数模块中预存有设定值；所述三位计数满比较器用于在所述时钟计数值等于设定值时，向所述三位同步计数器输出高电平，以使所述三位同步计数器置零；
所述与逻辑运算单元，用于对所述三位占空比比较器的输出信号、三位计数满比较器的输出信号及上一状态的PWM信号进行逻辑运算，以输出当前状态的PWM信号。
5.根据权利要求4所述的用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，其特征在于，所述延迟器包括三个D触发器、四路数据选择器和或逻辑运算单元，其中，
所述主控制器的锁相环PLL将外部输入的12MHz时钟倍频进行相位延迟，输出4路相位相差90°的48M时钟信号，分别记为CLK0、CLK90、CLK180、CLK270；其中，CLK90、CLK180、CLK270作为触发信号分别输入到三个D触发器的时钟信号输入端；所述高频同步计数器输出的PWM信号作为待选信号分别输入到三个D触发器的数据输入端；
所述高频同步计数器输出的PWM信号及三个D触发器输出的脉冲信号分别输入到四路数据选择器的四个数据输入端，所述高频同步计数器输出的2位低有效位LSB作为多路选择信号输入到所述四路数据选择器的控制信号输入端；
所述四路数据选择器的输出信号与所述高频同步计数器输出的PWM信号经过所述或逻辑运算单元求或输出11位精度的PWM信号。
6.根据权利要求1所述的用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，其特征在于，所述死区控制模块包括延迟模块、与逻辑运算模块、或逻辑运算模块、电流方向判断模块和选择器，其中，
所述延迟模块，用于对所述DPWM调制器输出的PWM信号进行Δt延迟，输出延迟信号Pdelay，其中，Δt≥0；
所述或逻辑运算模块，其一端与所述DPWM调制器的输出端连接，另一端与所述延迟模块的输出端连接；用于对所述延迟信号Pdelay与所述DPWM调制器输出的PWM信号进行求或运算，得到DPWM上升沿延迟信号Ps1＝PWM||Pdelay；
所述与逻辑运算模块，其一端与所述DPWM调制器的输出端连接，另一端与所述延迟模块的输出端连接；用于对所述延迟信号Pdelay与所述DPWM调制器输出的PWM信号进行求与运算，得到DPWM下降沿延迟信号Ps2＝PWM&Pdelay；
所述选择器的数据输入端分别与所述或逻辑运算模块、与逻辑运算模块的输出端连接，所述选择器的信号控制端与电流方向判断模块的输出端连接，当电流i>0时，所述选择器输出PS1；当电流i<0时，所述选择器输出PS2。
7.根据权利要求1所述的用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，其特征在于，所述平滑滤波电路包括由电容C1、C2和电感L组成的低通滤波器。
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