CN109873637A - 一种数字化高精度功率调节系统及调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字化高精度功率调节系统，包括上位机、主控芯片、信号转换器、功率放大器和负载，所述主控芯片为FPGA，所述信号转换器为DAC或者电位计，所述主控芯片与上位机的输出端连接，所述主控芯片与信号转换器的输入端连接，所述信号转换器的输出端与功率放大器的同相输入端连接，所述功率放大器的输出端与负载连；以及提供一种调节方法。本发明具有可控、稳定的输出电压，并且精度高、功率可调节。
Description
技术领域
本发明涉及功率调节领域，具体涉及一种数字化高精度功率调节系统及调节方法
背景技术
在超声波应用领域，例如超声雾化或者超声刀等等，都会包含必不可少的一部分，即功率放大模块。在现有的功率放大技术中，多采用半桥逆变方案，
众所周知，全桥逆变适用于大功率逆变，上百瓦甚至上千瓦，半桥逆变适用于小功率逆变，即便是小功率也基本上是十几瓦甚至几十瓦，对于小于5瓦甚至更小的应用场景来说并不合适。
半桥逆变由诸多分立元件构成，电路设计复杂，其性能也由组成的分立元件所影响，逆变电路集自激振荡与功率放大于一体，在调整电路工作时，不论是改变变压器磁环的磁性材料还、尺寸或匝数，还是改变反馈回路中任何一个元器件，都会牵一发而动全身，影响这个整个电路的工作状态、频率、性能甚至整体的可靠性。
诸多因素影响下的逆变方案在功率调节上很难保证稳定而又良好的调节精度。对于一些诸如超声雾化或者超声刀等精密设备，对功率的要求很苛刻，希望能提供稳定高精度的可调功率。而且半桥电路本身所固有的偏磁问题以及组成电路的分立元件本身所固有的性能缺陷很难让半桥方案应用于精密设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种数字化高精度功率调节系统及调节方法，具有可控、稳定的输出电压，并且精度高、功率可调节。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种数字化高精度功率调节系统，包括上位机、主控芯片、信号转换器、功率放大器和负载，所述主控芯片为FPGA，所述信号转换器为DAC或者电位计，所述主控芯片与上位机的输出端连接，所述主控芯片与信号转换器的输入端连接，所述信号转换器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与负载连接。
进一步的，所述功率放大器与负载之间还设置有阻抗变换器，所述阻抗变换器一端与功率放大器输出端连接，另一端与负载连接。
进一步的，所述DAC具有多位并行接口。
进一步的，所述主控芯片的输出端与第一反馈电阻的一端连接，所述第一反馈电阻的另一端与功率放大器的反相输入端连接，所述功率放大器的反相输入端还与第二反馈电阻一端连接，所述第二反馈电阻的另一端接地。
进一步的，所述第二反馈电阻的另一端还与滤波电容连接，所述滤波电容一端接地。
进一步的，所述功率放大器为音频功放IC。
进一步的，所述功率放大器还与提供正负电压的VCC和VSS连接。
一种调节方法，包括上述任意一项的功率调节系统，包括以下步骤：
步骤1)用户根据需求选择功率大小并通过上位机控制输出；
步骤2)主控芯片接收来自上位机的控制信号，然后驱动信号转换器输出电平，经功率放大器输出放大后的电压，然后加在负载上；
其中，功率调节的精度由信号转换器输出的电压改变量决定；在主控芯片中设定信号转换器电压的改变量为△，功率放大器的放大倍数为A，那么功率的改变量为(A*△)2/RL，通过量化的功率进行调节。
本发明的有益效果：
该方案应用电路简单，重要的是功率放大器能够提供稳定的输出电压波形，为精准的功率调节打下了基础；
该方式的优点一方面是输出的功率可控并且可以量化出来，另一方面输出的电压信号可以借助功率放大器提升施加给负载的功率，避免了在逆变方案中想要电路做出改变而出现的牵一发而动全身的现象，同时也满足了负载的功率需求。
附图说明
图1是本发明采用DAC芯片的系统示意图；
图2是本发明采用电位计的系统示意图。
图中标号说明：1、功率放大器；2、阻抗变换器；3、电位计。
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，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的数字化高精度功率调节系统的一实施例，包括上位机PC、主控芯片、信号转换器、功率放大器1和负载RL，主控芯片为FPGA，信号转换器为DAC，主控芯片与上位机的输出端连接，主控芯片与信号转换器的输入端连接，信号转换器的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与负载连接。该连接组合方式中的电路结构即为简单，通过FPGA、DAC以及功率放大器的配合是实现高精度功率调节实现的核心；并且该方式的优点一方面是输出的功率可控并且可以量化出来，另一方面输出的电压信号可以借助功率放大器提升施加给负载的功率，避免了在逆变方案中想要电路做出改变而出现的牵一发而动全身的现象，同时也满足了负载的功率需求。上述功率放大器的另一个输入端可以接地，也可以根据需要连接电路。
其中，DAC可以根据需求选择8位或12位或其他位数并行接口的DAC，也可以选择串行接口的DAC；优选使用并行接口DAC，并行的好处在于可以快速响应微处理器的送来的数据，做到实时操作。
功率放大器与负载之间还设置有阻抗变换器2，阻抗变换器一端与功率放大器输出端连接，另一端与负载连接，如果负载的阻抗很大，只用放大器不能驱动负载，此时可以加上阻抗变换器，变换器的匝数比可以根据需求来自行设计。
进一步的，所述主控芯片的输出端与第一反馈电阻的一端连接，所述第一反馈电阻的另一端与功率放大器的反相输入端连接，所述功率放大器的反相输入端还与第二反馈电阻一端连接，所述第二反馈电阻的另一端接地。使得功率放大器的输入信号放大一定的倍数，比如，倍数＝1+R1/R2；第二反馈电阻的另一端还与滤波电容连接，滤波电容一端接地，如果输入的信号不干净，可以加上滤波电容C1，达到有效的滤波作用，提高精度。
功率放大器还与提供正负电压的VCC和VSS连接，VCC也可以是VDD，电压越大，放大器提供的输出功率越大，但是提供的电压有上限，具体反映在芯片手册中；功率放大器为音频功放I C，内部都是匹配好的性能极佳的分立元件，因此输出的电压波形会非常稳定，把误差降到最低。
具体的还提供一种调节方法，采用上述的功率调节系统：
上位机内设置有控制软件，用户根据需求选择功率大小并通过上位机控制输出控制信号；
主控芯片接收来自上位机的控制信号，然后驱动信号转换器输出电平，经功率放大器输出放大后的电压，然后加在负载上；
若负载太大不能驱动，就再接一级阻抗变换器再加在负载上。功率调节的精度由DAC输出的电压改变量决定的。假定在FPGA中设定DAC电压的改变量为△，功率放大器的放大倍数为A，那么功率的改变量为(A*△)2/RL。这种方式的优点一方面是输出的功率可控并且可以量化出来，通过IC放大来提升功率，可以避免在逆变中因为电路的不对称造成的功率调节精度下降的问题，另一方面DAC输出的电压信号可以借助功率放大器提升电压从而增加施加给负载的功率，避免了在逆变方案中想要电路做出改变而出现的牵一发而动全身的现象，同时也满足了负载的功率需求。
除此之外，系统方案中还包括阻抗变换器，其作用是当负载阻抗太大无法驱动时，阻抗变换器可以提高驱动电压进而驱动负载，增加阻抗变换器的好处是使得系统在应对各种负载阻抗时又增加了其灵活性。
在一实施例中，参照图2所示，信号转换器为电位计3，考虑到成本同时对功率调节精度要求有所降低，那么可调精密的电位计是极佳的选择，该电位计是可调的，调节电位计使得经过电位计的输入信号电压幅值改变，送入功率放大器后，功率放大器输出的电压幅值也会相应的改变，因而输出的功率也得到了改变，只不过这种方式不会像DAC调节那样可以将功率调节的改变量给量化出来，也不如DAC调节的精度高。这种方式能够适用于要求成本低并且对功率调节精度要求低的场合。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种数字化高精度功率调节系统，其特征在于，包括上位机、主控芯片、信号转换器、功率放大器和负载，所述主控芯片为FPGA，所述信号转换器为DAC或者电位计，所述主控芯片与上位机的输出端连接，所述主控芯片与信号转换器的输入端连接，所述信号转换器的输出端与功率放大器的同相输入端连接，所述功率放大器的输出端与负载连接。
2.如权利要求1所述的数字化高精度功率调节系统，其特征在于，所述功率放大器与负载之间还设置有阻抗变换器，所述阻抗变换器一端与功率放大器输出端连接，另一端与负载连接。
3.如权利要求1所述的数字化高精度功率调节系统，其特征在于，所述DAC具有多位并行接口。
4.如权利要求1所述的数字化高精度功率调节系统，其特征在于，所述主控芯片的输出端与第一反馈电阻的一端连接，所述第一反馈电阻的另一端与功率放大器的反相输入端连接，所述功率放大器的反相输入端还与第二反馈电阻一端连接，所述第二反馈电阻的另一端接地。
5.如权利要求4所述的数字化高精度功率调节系统，其特征在于，所述第二反馈电阻的另一端还与滤波电容连接，所述滤波电容一端接地。
6.如权利要求1所述的数字化高精度功率调节系统，其特征在于，所述功率放大器为音频功放IC。
7.如权利要求1所述的数字化高精度功率调节系统，其特征在于，所述功率放大器还与提供正负电压的VCC和VSS连接。
8.一种调节方法，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的功率调节系统，包括以下步骤：
步骤1)用户根据需求选择功率大小并通过上位机控制输出；
步骤2)主控芯片接收来自上位机的控制信号，然后驱动信号转换器输出电平，经功率放大器输出放大后的电压，然后加在负载上；
其中，功率调节的精度由信号转换器输出的电压改变量决定；在主控芯片中设定信号转换器电压的改变量为△，功率放大器的放大倍数为A，那么功率的改变量为(A*△)2/RL，通过量化的功率进行调节。
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