CN109274357B - 一种占空比不随频率变化的脉冲调制电路及其调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种占空比不随频率变化的脉冲调制电路及其调制方法，属于电力电子技术的脉冲调制技术领域。本发明分频电路I的输入端与脉冲源相连，分频电路I的输出端与脉冲占空比控制及抗干扰电路O的输入端相连，脉冲占空比控制及抗干扰电路O的输出端，加固电源电路S的+Vcc电压输出端为分频电路I和脉冲占空比控制及抗干扰电路O电源。本发明在输入脉冲信号频率高达1Hz—4MHz时，都能实现输出脉冲占空比不变，并可控制在30%—80%之间，干扰减小，能很好满足各类电力电子全桥电路的控制要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种占空比不随频率变化的脉冲调制电路及其调制方法，属于电力电子技术的脉冲调制技术领域。
背景技术
电力电子技术中调制后的脉冲信号通过驱动电路让功率器件工作在开关状态，实现电能的转换和传输。现有的脉冲调制方法有PWM脉冲宽度调制和PFM脉冲频率调制两种，即PWM脉冲宽度调制是脉冲频率不变，通过改变脉冲的宽度来调制脉冲信号；PFM脉冲频率调制是脉冲宽度不变，通过改变脉冲的频率来调制脉冲信号。在电力电子技术实践中，我们发现如果能在脉冲频率改变过程中保持脉冲占空比不变，这种新的调制方式能更好的改善电力电子电路的工作特性，但是，当前还没有一种能实现脉冲频率改变，脉冲占空比不变的脉冲调制电路，同时可以根据控制需要，人为调整占空比的值。因此，研发能实现这种脉冲调制电路很有意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种占空比不随频率变化的脉冲调制电路及其调制方法。以用于解决现有的脉冲调制电路中脉冲频率改变，脉冲占空比会变化的问题以及脉冲信号传输时出现干扰和延时的问题。
本发明的技术方案是：一种占空比不随频率变化的脉冲调制电路，包括分频电路I、脉冲占空比控制及抗干扰电路O和加固电源电路S，其中分频电路I的输入端与脉冲源相连，分频电路I的输出端与脉冲占空比控制及抗干扰电路O的输入端相连，脉冲占空比控制及抗干扰电路O的输出端输出脉冲信号，加固电源电路S的+Vcc电压输出端分别连接分频电路I和脉冲占空比控制及抗干扰电路O。
所述分频电路I包括分频器U1、电容C1、C2、C3和插座CON1；其中插座CON1的一端连接到分频器U1的时钟输入端CLK，另一端连接到电源地；分频器U1的GND端和使能端连接到电源地；分频器U1的Q2输出端连接到U1的RST复位端；电容C1、C2和C3并接在一起，一端连接+Vcc电源，另一端连接到电源地。
所述脉冲占空比控制及抗干扰电路O包括带施密特触发器的反相器U2A、U2B、U2C、U2D、U2E、U2F、U3A、U3B、U3C、U3D、U3E和U3F，电容C4、C5、C6和C7，电位器RW1、RW2、RW3、RW4、RW5、RW6、RW7和RW8，插座CON2和CON3；其中带施密特触发器的反相器U2A的输入端连接分频器U1的Q0输出端，带施密特触发器的反相器U2A的输出端连接带施密特触发器的反相器U2B的输入端，带施密特触发器反相器U2B的输出端连接电位器RW1的一端；电位器RW1的另一端和可调端连接在一起，电位器RW2的一端和可调端也连接在一起，上述两者相连后再连接电容C4的一端和带施密特触发器的反相器U2C的输入端，电位器RW2的另一端和电容C4的另一端连接在一起再连接电源地；带施密特触发器的反相器U2C的输出端连接带施密特触发器的反相器U2D的输入端，带施密特触发器的反相器U2D的输出端连接电位器RW3的一端，电位器RW3的另一端和可调端连接在一起，电位器RW4的一端和可调端连接在一起，上述两者相连后再同时连接电容C5的一端和带施密特触发器的反相器U2E的输入端，电位器RW4的另一端和电容C5的另一端连接在一起再连接电源地；带施密特触发器的反相器U2E的输出端连接带施密特触发器的反相器U2F的输入端，带施密特触发器的反相器U2F的输出端连接插座CON2的一端，插座CON2的另一端连接电源地；其中带施密特触发器的反相器U3A的输入端连接分频器U1的Q1输出端，带施密特触发器放入反相器U3A的输出端连接带施密特触发器放入反相器U3B的输入端，带施密特触发器的反相器U3B的输出端连接电位器RW5的一端，电位器RW5的另一端和可调端连接在一起，电位器RW6的一端和可调端连接在一起，上述两者相连后再同时连接电容C6的一端和带施密特触发器的反相器U3C的输入端；电位器RW6的另一端和电容C6的另一端连接在一起再连接电源地，带施密特触发器的反相器U3C的输出端连接带施密特触发器放入反相器U3D的输入端，带施密特触发器的反相器U3D的输出端连接电位器RW7的一端；电位器RW7的另一端和可调端连接在一起，电位器RW8的一端和可调端连接在一起，上述两者相连再同时连接电容C7的一端和带施密特触发器的反相器U3E的输入端，电位器RW8的另一端和电容C7的另一端连接在一起再连接电源地；带施密特触发器的反相器U3E的输出端连接带施密特触发器的反相器U3F的输入端，带施密特触发器的反相器U3F的输出端连接插座CON3的一端；插座CON3的另一端连接电源地。
一种脉冲信号调制方法，包括如下步骤：
（1）脉冲信号经过分频器U1后分成两路相位相反的脉冲信号；
（2）通过带施密特触发器的反相器U2A和U2B把第一路脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，同时对其整形；通过电位器RW1、RW2和电容C4构成的第一级RC充放电电路改变第一路脉冲信号的脉冲宽度，实现第一路脉冲信号占空比的调整控制；通过由电位器RW3、RW4和电容C5构成的第二级RC电路再次对第一路脉冲信号的占空比进行调节控制；最后再通过带施密特触发器的反相器U2E和U2F把第一路脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，对第一路脉冲信号进行整形；
（3）通过带施密特触发器的反相器U3A和U3B把第二路脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，同时对其整形；通过由电位器RW5、RW6和电容C6构成的第一级RC充放电电路改变第二路脉冲信号的脉冲宽度，实现第二路脉冲信号占空比的调整控制；通过由电位器RW7、RW8和电容C7构成的第二级RC电路再次对第二路脉冲信号的占空比进行调节控制；最后再通过带施密特触发器的反相器U3E和U3F把第二路脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，对第二路脉冲信号进行整形；
（4）得到两路调制完成的脉冲信号，两者相位相反，占空比固定不随脉冲信号频率的改变而改变。
本发明的工作原理是：
脉冲信号源经过分频器U1后，分成两路相位相反的脉冲信号；电容C1、C2和C3起退耦滤波作用，保证分频器U1在高速时可靠工作；第一路脉冲信号接到由带施密特触发器的偶数多级反相器U2A的输入端，反相器U2A和U2B中的施密特触发器具有鉴幅的功能，可以把脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，又可以对脉冲信号进行整形；由电位器RW1、RW2和C4构成第一级RC充放电电路，通过调节电位器RW1和RW2的阻值大小控制反相器U2B输出脉冲信号对C4的充放电时间，从而改变达到反相器翻转门槛电压的时间，即使通过反相器U2C和U2D的第一路脉冲信号的脉冲宽度变大变小，实现脉冲信号占空比的调整控制；为了把占空比控制在30%—80%之间，一级RC电路是不够的，所以要通过由电位器RW3、RW4和C5构成第二级RC电路，再次对脉冲信号的占空比进行调节控制使其符合要求，脉冲信号占空比就是一个固定值，即使脉冲信号源的频率改变反相器U2D输出的脉冲信号的占空比都保持恒定不变，从而完成对脉冲信号的调制；最后再次通过反相器U2E和U2F把脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，对脉冲信号进行整形；同理由U3A、U3B、U3C、U3D、U3E和U3F，电容C6、和C7，电位器RW5、RW6、RW7和RW8实现对第二路脉冲信号的调制，并把脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，对脉冲信号进行整形；两路调制完成的脉冲信号相位相反，占空比固定不随脉冲信号频率的改变而改变，从而可以更好的控制电力电子电路中的功率开关。
本发明的有益效果是：采用所设计制作完成的脉冲调制电路，实现输出脉冲占空比不变，可以保证有效消除脉冲信号中的干扰，能很好满足各类电力电子全桥电路的控制要求。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种占空比不随频率变化的脉冲调制电路，包括分频电路I、脉冲占空比控制及抗干扰电路O和加固电源电路S，其中分频电路I的输入端与脉冲源相连，分频电路I的输出端与脉冲占空比控制及抗干扰电路O的输入端相连，脉冲占空比控制及抗干扰电路O的输出端输出脉冲信号，加固电源电路S的+Vcc电压输出端分别连接分频电路I和脉冲占空比控制及抗干扰电路O。
如图2所示，其中分频电路I包括分频器U1、电容C1、C2、C3和插座CON1；其中插座CON1的一端连接到分频器U1的时钟输入端CLK，另一端连接到电源地；分频器U1的GND端和使能端连接到电源地；分频器U1的Q2输出端连接到U1的RST复位端；电容C1、C2和C3并接在一起，一端连接+Vcc电源，另一端连接到电源地。
其中脉冲占空比控制及抗干扰电路O包括带施密特触发器的反相器U2A、U2B、U2C、U2D、U2E、U2F、U3A、U3B、U3C、U3D、U3E和U3F，电容C4、C5、C6和C7，电位器RW1、RW2、RW3、RW4、RW5、RW6、RW7和RW8，插座CON2和CON3；其中带施密特触发器的反相器U2A的输入端连接分频器U1的Q0输出端，带施密特触发器的反相器U2A的输出端连接带施密特触发器的反相器U2B的输入端，带施密特触发器反相器U2B的输出端连接电位器RW1的一端；电位器RW1的另一端和可调端连接在一起，电位器RW2的一端和可调端也连接在一起，上述两者相连后再连接电容C4的一端和带施密特触发器的反相器U2C的输入端，电位器RW2的另一端和电容C4的另一端连接在一起再连接电源地；带施密特触发器的反相器U2C的输出端连接带施密特触发器的反相器U2D的输入端，带施密特触发器的反相器U2D的输出端连接电位器RW3的一端，电位器RW3的另一端和可调端连接在一起，电位器RW4的一端和可调端连接在一起，上述两者相连后再同时连接电容C5的一端和带施密特触发器的反相器U2E的输入端，电位器RW4的另一端和电容C5的另一端连接在一起再连接电源地；带施密特触发器的反相器U2E的输出端连接带施密特触发器的反相器U2F的输入端，带施密特触发器的反相器U2F的输出端连接插座CON2的一端，插座CON2的另一端连接电源地；其中带施密特触发器的反相器U3A的输入端连接分频器U1的Q1输出端，带施密特触发器放入反相器U3A的输出端连接带施密特触发器放入反相器U3B的输入端，带施密特触发器的反相器U3B的输出端连接电位器RW5的一端，电位器RW5的另一端和可调端连接在一起，电位器RW6的一端和可调端连接在一起，上述两者相连后再同时连接电容C6的一端和带施密特触发器的反相器U3C的输入端；电位器RW6的另一端和电容C6的另一端连接在一起再连接电源地，带施密特触发器的反相器U3C的输出端连接带施密特触发器放入反相器U3D的输入端，带施密特触发器的反相器U3D的输出端连接电位器RW7的一端；电位器RW7的另一端和可调端连接在一起，电位器RW8的一端和可调端连接在一起，上述两者相连再同时连接电容C7的一端和带施密特触发器的反相器U3E的输入端，电位器RW8的另一端和电容C7的另一端连接在一起再连接电源地；带施密特触发器的反相器U3E的输出端连接带施密特触发器的反相器U3F的输入端，带施密特触发器的反相器U3F的输出端连接插座CON3的一端；插座CON3的另一端连接电源地。
实施例2：上述的调制电路应按频率1GHz的高频线性电路设计方法进行高性能脉冲处理电路印制电路板的布局和走线；印制电路板按高速信号完整性和电源完整性的布局和布线方法布局和走线，至少要4层印刷电路板才能有效解决了印制电路板上的分布电感和分布电容值，同时也就减小了它们形成的传输延时、脉冲上下沿延时、高幅值衰减振荡和高频辐射干扰问题；
同时要确保分频电路I完成分频，分频器U1的选择至关重要，要满足最大4MHz及以上脉冲信号的调制要求，其最大时钟频率应该达到10MHz，芯片封装应该选择贴片封装；
确保脉冲占空比控制及抗干扰电路O完成对脉冲信号占空比和延时的控制，带施密特触发器反相器U2A、U2B、U2C、U2D、U2E、U2F、U3A、U3B、U3C、U3D、U3E和U3F的最大工作频率，电容C4、C5、C6、和C7容值，电位器RW1、RW2、RW3、RW4、RW5、RW6、RW7和RW8的阻值大小选择和调整至关重要。
下面以在插座CON1的输入端接入一个频率为2MHz的脉冲信号源为例进行具体的调制说明，脉冲信号源经过分频器U1后，分成两路频率为1MHz相位相反的脉冲信号；第一路脉冲信号接到由带施密特触发器的偶数多级反相器U2A的输入端，把电位器RW1调到470Ω、RW2调到1.7KΩ和C4取0.1nF，把电位器RW3调到120Ω、RW4调到160Ω和C5取1nF，脉冲信号占空比为30%固定值，脉冲信号源的频率改为1MHZ分频后为500KHz反相器U2F输出的脉冲信号的占空比都保持不变，实测为32%，从而完成对脉冲信号的调制；把电位器RW1调到200Ω、RW2调到1.69KΩ和C4取1nF，把电位器RW3调到520Ω、RW4调到3.9KΩ和C5取1nF，脉冲信号占空比为80%固定值，脉冲信号源的频率改为1MHZ分频后为500KHz反相器U2F输出的脉冲信号的占空比都保持不变，实测为78%，从而完成对脉冲信号的调制；误差是由于实际电阻电容在不同频率下的阻值和容值会发生改变造成，再加上电路板布局布线引起的分布参数，改变频率后，参数会发生改变，最终导致占空比会有微小变化。要减小这个误差需要选择精度和频率特性较好的贴片电阻电容，同时印制电路板要按高速信号完整性和电源完整性的布局和布线方法布局和走线才可能把误差控制到最小。同理调节电位器RW5、RW6、RW7和RW8的阻值，选择合适C6和 C7容值就可实现对第二路脉冲信号占空比的调制；两路调制完成的脉冲信号相位相反，占空比固定不随脉冲信号频率的改变而改变。
本发明中所述构成元件均为市售元件。
其中，①采用10MHz的高速分频器，可以保证能对实测至少4MHz的脉冲信号进行调制；②采用带施密特触发器的偶数多级反相器电路，可以保证有效消除脉冲信号中的干扰；③采用两级RC电路，可以保证把脉冲信号的占空比控制在30%—80%之间；④采用两路脉冲信号调制，得到的调制脉冲可以有效的控制电力电子电路中全桥电路的四个功率开关，实现电能的高效传输和转换；⑤采用根据电源完整性加固的电源，在高速脉冲信号处理时减小从电源端引入的干扰，印制电路板按高速信号完整性和电源完整性的布局和布线方法布局和走线，多层印刷电路板才能有效解决了印制电路板上的分布电感和分布电容值，同时也就减小了它们形成的传输延时、脉冲上下沿延时、高幅值衰减振荡和高频辐射干扰问题。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种占空比不随频率变化的脉冲调制电路，其特征在于：包括分频电路I、脉冲占空比控制及抗干扰电路O和加固电源电路S，其中分频电路I的输入端与脉冲源相连，分频电路I的输出端与脉冲占空比控制及抗干扰电路O的输入端相连，脉冲占空比控制及抗干扰电路O的输出端输出脉冲信号，加固电源电路S的+Vcc电压输出端分别连接分频电路I和脉冲占空比控制及抗干扰电路O；
所述分频电路I包括分频器U1、电容C1、C2、C3和插座CON1；其中插座CON1的一端连接到分频器U1的时钟输入端CLK，另一端连接到电源地；分频器U1的GND端和ENA使能端连接到电源地；分频器U1的Q2输出端连接到U1的RST复位端；电容C1、C2和C3并接在一起，一端连接+Vcc电源，另一端连接到电源地；
所述脉冲占空比控制及抗干扰电路O包括带施密特触发器的反相器U2A、U2B、U2C、U2D、U2E、U2F、U3A、U3B、U3C、U3D、U3E和U3F，电容C4、C5、C6和C7，电位器RW1、RW2、RW3、RW4、RW5、RW6、RW7和RW8，插座CON2和CON3；其中带施密特触发器的反相器U2A的输入端连接分频器U1的Q0输出端，带施密特触发器的反相器U2A的输出端连接带施密特触发器的反相器U2B的输入端，带施密特触发器反相器U2B的输出端连接电位器RW1的一端；电位器RW1的另一端和可调端连接在一起，电位器RW2的一端和可调端也连接在一起，电位器RW1的另一端和可调端、电位器RW2的一端和可调端相连后再连接电容C4的一端和带施密特触发器的反相器U2C的输入端，电位器RW2的另一端和电容C4的另一端连接在一起再连接电源地；带施密特触发器的反相器U2C的输出端连接带施密特触发器的反相器U2D的输入端，带施密特触发器的反相器U2D的输出端连接电位器RW3的一端，电位器RW3的另一端和可调端连接在一起，电位器RW4的一端和可调端连接在一起，电位器RW3的另一端和可调端、电位器RW4的一端和可调端相连后再同时连接电容C5的一端和带施密特触发器的反相器U2E的输入端，电位器RW4的另一端和电容C5的另一端连接在一起再连接电源地；带施密特触发器的反相器U2E的输出端连接带施密特触发器的反相器U2F的输入端，带施密特触发器的反相器U2F的输出端连接插座CON2的一端，插座CON2的另一端连接电源地；其中带施密特触发器的反相器U3A的输入端连接分频器U1的Q1输出端，带施密特触发器放入反相器U3A的输出端连接带施密特触发器放入反相器U3B的输入端，带施密特触发器的反相器U3B的输出端连接电位器RW5的一端，电位器RW5的另一端和可调端连接在一起，电位器RW6的一端和可调端连接在一起，电位器RW5的另一端和可调端、电位器RW6的一端和可调端相连后再同时连接电容C6的一端和带施密特触发器的反相器U3C的输入端；电位器RW6的另一端和电容C6的另一端连接在一起再连接电源地，带施密特触发器的反相器U3C的输出端连接带施密特触发器放入反相器U3D的输入端，带施密特触发器的反相器U3D的输出端连接电位器RW7的一端；电位器RW7的另一端和可调端连接在一起，电位器RW8的一端和可调端连接在一起，电位器RW7的另一端和可调端、电位器RW8的一端和可调端相连再同时连接电容C7的一端和带施密特触发器的反相器U3E的输入端，电位器RW8的另一端和电容C7的另一端连接在一起再连接电源地；带施密特触发器的反相器U3E的输出端连接带施密特触发器的反相器U3F的输入端，带施密特触发器的反相器U3F的输出端连接插座CON3的一端；插座CON3的另一端连接电源地。
2.根据权利要求1所述的一种占空比不随频率变化的脉冲调制电路，其特征在于：所述分频器U1采用10MHz的高速分频器。
3.一种脉冲信号调制方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)脉冲信号经过分频器U1后分成两路相位相反的脉冲信号；
(2)通过带施密特触发器的反相器U2A和U2B把第一路脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，同时对其整形；通过电位器RW1、RW2和电容C4构成的第一级RC充放电电路改变第一路脉冲信号的脉冲宽度，实现第一路脉冲信号占空比的调整控制；通过由电位器RW3、RW4和电容C5构成的第二级RC电路再次对第一路脉冲信号的占空比进行调节控制；最后再通过带施密特触发器的反相器U2E和U2F把第一路脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，对第一路脉冲信号进行整形；
(3)通过带施密特触发器的反相器U3A和U3B把第二路脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，同时对其整形；通过由电位器RW5、RW6和电容C6构成的第一级RC充放电电路改变第二路脉冲信号的脉冲宽度，实现第二路脉冲信号占空比的调整控制；通过由电位器RW7、RW8和电容C7构成的第二级RC电路再次对第二路脉冲信号的占空比进行调节控制；最后再通过带施密特触发器的反相器U3E和U3F把第二路脉冲信号中的小幅值干扰阻隔掉，对第二路脉冲信号进行整形；
(4)得到两路调制完成的脉冲信号，两者相位相反，占空比固定不随脉冲信号频率的改变而改变。
4.根据权利要求3所述的脉冲信号调制方法，其特征在于：所述步骤(2)和(3)中脉冲信号占空比的调整是通过调节电位器的阻值大小控制脉冲信号对电容的充放电时间，从而改变达到带施密特触发器的反相器翻转门槛电压的时间，即使通过带施密特触发器的反相器的脉冲信号的脉冲宽度变化，实现脉冲信号占空比的调整控制。
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