CN110460314B - 一种数字式功率放大器及放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一种数字式功率放大器及放大方法，属于功率放大器技术领域，解决了现有功率放大器精度低、成本高的问题。该功率放大器包括ARM电路，用于根据外部数字指令信号和数字电压反馈信号得到控制量的数字电压信号；DA转换电路，用于将控制量数字电压信号转换为模拟电压信号；功率放大电路，用于将模拟电压信号放大并转换为模拟电流信号；伺服阀，用于根据模拟电流信号控制伺服机构产生动作，AD转换电路，用于采集表征伺服机构动作的模拟电压反馈信号并转换为数字电压反馈信号。本发明提供的数字式功率放大器精度高、成本低且电路简单。

Description

一种数字式功率放大器及放大方法

技术领域

本发明涉及功率放大器技术领域，尤其涉及一种数字式功率放大器及放大方法。

背景技术

目前的功率放大器一般为模拟式，使用模拟电路元件如电阻、电容、运算放大器等实现简单的PID运算或者滤波，另外有部分功率放大器中采用了DSP电路，该类型功率放大器使用DSP电路代替模拟电路实现了PID运算或者滤波。

现有技术存在以下缺点：一是模拟式功率放大器实现较为复杂，需较多的模拟电路元件，并且无法实现比较复杂的控制算法，从而使得控制精度较低；二是目前DSP电路的成本较高，给成本控制带来一定的压力。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种数字式功率放大器及放大方法，用以解决现有功率放大器精度低、成本高的的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种数字式功率放大器，包括ARM电路、DA转换电路、功率放大电路、伺服阀、伺服机构和AD转换电路；

所述ARM电路，用于根据外部数字指令信号和所述AD转换电路输出的数字电压反馈信号得到控制量的数字电压信号；

所述DA转换电路，用于将所述控制量数字电压信号转换为模拟电压信号；

所述功率放大电路，用于将所述模拟电压信号放大并转换为模拟电流信号；

所述伺服阀，用于根据所述模拟电流信号控制伺服机构产生动作；

所述AD转换电路，用于采集表征伺服机构动作的模拟电压反馈信号并转换为数字电压反馈信号。

进一步的，所述ARM电路包括STM32F103芯片及外围电路，所述AD转换电路包括TLC3578芯片，所述DA转换电路包括AD5644芯片；

所述STM32F103芯片的PB10和PB11用于与外部计算机或控制器相连接，接收外部数字指令信号；

所述STM32F103芯片的引脚PB0与所述TLC3578芯片引脚2连接，引脚PB1与引脚4连接，引脚PB12与引脚8连接，引脚PB13与引脚1连接，引脚PB14与引脚5连接，引脚PB15与引脚3连接，引脚PB5与引脚24连接，以实现ARM电路接收AD转换电路输出的数字电压反馈信号；

所述STM32F103芯片的引脚PA5与所述AD5644芯片的引脚6连接，引脚PA6与引脚7连接，引脚PA7与引脚8连接，以实现ARM电路向DA转换电路输出控制量数字电压信号。

进一步的，所述AD转换电路还包括外围电路：

所述TLC3578芯片的引脚2和24分别串联电阻R122和R126与外部3.3V电源连接，引脚13与外部5V电源连接，引脚14与4VREF端连接，引脚15与外部5V电源连接；引脚17、23并联后与电容C103的一端、电容C104的一端以及外部5V电源连接，引脚18、22并联后与电容C112的一端、电容C103的另一端以及电容C104的另一端连接，并接地；电容C112的另一端与引脚21连接；引脚19与电容C113的一端、电容C114的一端以及4VREF端连接，引脚20与电容C113的另一端、电容C114的另一端连接，并接地；引脚7与电容C115的一端以及外部3V电源连接，引脚6与电容C115的另一端连接，并接地。

进一步的，所述DA转换电路还包括外围电路：

所述AD5644芯片的引脚3接地，引脚10通过电容C93接地，引脚9与电容C95的一端、电容C94的一端以及外部5V电源连接，电容C95的另一端与电容C94的另一端连接，并接地。

进一步的，所述功率放大电路包括两片放大器TLE2142和芯片FH3/4K；放大器1的引脚3串联电阻R83与所述DA转换电路的引脚1连接，接收所述DA转换电路输出的模拟电压信号；

所述放大器1的引脚2和引脚1之间串联电阻R65，且引脚2与5VREF端之间串联电阻R59，5VREF端串联电容C100并接地，放大器1的引脚4与VSS端连接，VSS端串联电容C102并接地，放大器1的引脚8与VDD端连接，VDD端串联电容C98并接地；

所述放大器2的引脚6与所述放大器1的引脚1之间串联电阻R57，所述放大器2的引脚6还串联电阻R61后与所述伺服阀的输入端连接，并串联电阻R63接地；

所述芯片FH3/4K的引脚3和4并联后串联电阻R55与所述放大器2的引脚7连接，所述芯片FH3/4K的引脚5与VSS端连接，引脚8与VDD端连接，引脚1和3并联后串联电阻R51与伺服阀的输入端连接，输出相应的模拟电流信号。

进一步的，所述伺服机构还包括位移传感器，用于采集伺服机构输出的动作信号，并转换为相应的模拟电压反馈信号。

进一步的，所述AD转换电路的引脚9与位移转换器的输出端连接，接收所述位移传感器输出的模拟电压反馈信号，并转换为数字电压反馈信号。

进一步的，所述ARM电路首先对接收到的外部指令信号和数字电压反馈信号进行滤波得到误差量，基于所述误差量得到所述控制量的数字电压信号；

对接收到的外部指令信号和数字电压反馈信号进行滤波，包括：

将当前运算周期的外部数字指令信号与滤波系数K1相乘，前一运算周期的外部数字指令信号与滤波系数K2相乘，并求和；

将当前运算周期的数字电压反馈信号与滤波系数K1相乘，前一运算周期的数字电压反馈信号与滤波系数K2相乘，并求和；

将所述滤波后的外部数字指令信号与数字电压反馈信号相比较，得到误差量。

进一步的，所述ARM电路根据所述误差量，通过下述公式得到控制量的数字电压信号：

其中kp、ki、kd为系数，e(k)为当前运算周期输入的误差量，e(k-1)为上个周期输入的误差量。

根据上述技术方案，本发明的有益技术效果如下：

1、采用ARM电路作为处理器，在ARM软件中可方便的实现高阶数字滤波及智能控制算法，与模拟式功率放大器相比，极大的简化了电路，调试过程中可通过软件对各项参数进行调整，避免反复更换电子元件，提高了调试效率和精度；

2、采用ARM电路代替DSP电路应用于功率放大器，成本更为低廉，在使用一片ARM电路的情况下，搭配多路功率放大电路即可同时实现多路伺服阀的控制，具有很好的扩展性。

另一方面，本发明提供了一种利用上述数字功率放大器的功率放大方法：该方法包括以下步骤：

ARM电路根据外部数字指令信号和数字电压反馈信号经滤波和PID计算后得到控制量的数字电压信号；

DA转换电路将所述控制量数字电压信号转换为模拟电压信号；

功率放大电路将接收到的模拟电压信号转换为模拟电流信号；

伺服阀根据所述模拟电流信号控制伺服机构产生动作；

AD转换电路将伺服机构输出的模拟电压反馈信号转换为数字电压反馈信号。

由于本发明中的功率放大方法与上述数字式功率放大器原理相同，所以该方法也具有与上述放大器相应的技术效果。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为数字式功率放大器示意图；

图2为ARM电路示意图；

图3为DA转换电路示意图；

图4为AD转换电路示意图；

图5为功率放大电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

一方面，本发明的一个具体实施例，公开了一种数字式功率放大器，如图1所示。该功率放大器包括ARM电路、DA转换电路、功率放大电路、伺服阀、伺服机构和AD转换电路；

所述ARM电路，用于根据外部数字指令信号和所述AD转换电路输出的数字电压反馈信号得到控制量的数字电压信号；

所述DA转换电路，用于将所述控制量数字电压信号转换为模拟电压信号；

所述功率放大电路，用于将所述模拟电压信号放大并转换为模拟电流信号；

所述伺服阀，用于根据所述模拟电流信号控制伺服机构产生动作；

所述AD转换电路，用于采集表征伺服机构动作的模拟电压反馈信号并转换为数字电压反馈信号。

其中，模拟电流信号输入到伺服阀，不同大小的模拟电流信号控制伺服阀的开关量大小，从而控制流经伺服阀的油量，驱动伺服机构产生快慢动作，而不同的模拟电流方向也可以改变伺服阀的油源方向，驱动伺服机构能够向不同方向产生动作。

优选的，所述ARM电路包括STM32F103芯片及外围电路，所述AD转换电路包括TLC3578芯片，所述DA转换电路包括AD5644芯片；

所述STM32F103芯片的PB10和PB11用于与外部计算机或控制器相连接，接收外部数字指令信号；引脚VDD1～VDD3、VDDA并联后与外部3.3V电源连接，引脚VSS1～VSS3、VSSA并联后接地，引脚PB2通过电阻R1接地，NRST串联电容C31并接地，BOOT0串联电阻R14并接地；

所述STM32F103芯片的引脚PB0与所述TLC3578芯片引脚2连接，引脚PB1与引脚4连接，引脚PB12与引脚8连接，引脚PB13与引脚1连接，引脚PB14与引脚5连接，引脚PB15与引脚3连接，引脚PB5与引脚24连接，以实现ARM电路接收AD转换电路输出的数字电压反馈信号；

所述STM32F103芯片的引脚PA5与所述AD5644芯片的引脚6连接，引脚PA6与引脚7连接，引脚PA7与引脚8连接，以实现ARM电路向DA转换电路输出控制量数字电压信号；

其中，如图2所示，ARM芯片采用STM32F103芯片。该芯片使用ARM Cortex-M332位的RISC内核，最大工作频率32MHz，内置64K字节的闪存和20K字节，内置2个12位的AD转换器、2个SPI接口、2个I2C接口、3个USART接口、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，与DSP芯片相比，具有低功耗、低成本的特点。

具体的，如图4所示，所述AD转换电路还包括外围电路：

所述TLC3578芯片的引脚2和24分别串联电阻R122和R126与外部3.3V电源连接，引脚13与外部5V电源连接，引脚14与4VREF端连接，引脚15与外部5V电源连接；引脚17、23并联后与电容C103的一端、电容C104的一端以及外部5V电源连接，引脚18、22并联后与电容C112的一端、电容C103的另一端以及电容C104的另一端连接，并接地；电容C112的另一端与引脚21连接；引脚19与电容C113的一端、电容C114的一端以及4VREF端连接，引脚20与电容C113的另一端、电容C114的另一端连接，并接地；引脚7与电容C115的一端以及外部3V电源连接，引脚6与电容C115的另一端连接，并接地；

TLC3578芯片采用SPI接口，可方便的与ARM电路进行连接；采用单电源供电，外围电路简单，并且信号的转换精度最高可达到14位，与DA电路的转换精度相匹配，满足信号采集的精度要求；具有8个通道-10V～+10V电压范围的模拟信号采集通道，与DA电路匹配，最大可满足4路功放电路的需求。

优选的，如图3所示，所述DA转换电路还包括外围电路：

所述AD5644芯片的引脚3接地，引脚10通过电容C93接地，引脚9与电容C95的一端、电容C94的一端以及外部5V电源连接，电容C95的另一端与电容C94的另一端连接，并接地；

该AD5644芯片的SPI接口可以方便得与ARM电路进行连接，连线简单；14位的输出精度与AD转换电路相匹配，可以满足信号采集的精度要求；其4路模拟信号输出便于电路扩展，最大可同时满足四路功放电路的需求。

优选的，如图5所示，所述功率放大电路包括两片放大器TLE2142和芯片FH3/4K；放大器1的引脚3串联电阻R83与所述DA转换电路的引脚1连接，接收所述DA转换电路输出的模拟电压信号；

所述放大器1的引脚2和引脚1之间串联电阻R65，且引脚2与5VREF端之间串联电阻R59，5VREF端串联电容C100并接地，放大器1的引脚4与VSS端连接，VSS端串联电容C102并接地，放大器1的引脚8与VDD端连接，VDD端串联电容C98并接地；

所述放大器2的引脚6与所述放大器1的引脚1之间串联电阻R57，所述放大器2的引脚6还串联电阻R61后与所述伺服阀的输入端连接，并串联电阻R63接地；

所述芯片FH3/4K的引脚3和4并联后串联电阻R55与所述放大器2的引脚7连接，所述芯片FH3/4K的引脚5与VSS端连接，引脚8与VDD端连接，引脚1和3并联后串联电阻R51与伺服阀的输入端连接，输出相应的模拟电流信号。

功率放大电路采用乙类双电源互补对称功率放大电路，具有管耗小、效率高的特点，最大效率可达到70％以上；功率放大电路最大输出电流不小于80mA。

具体的，所述伺服机构还包括位移传感器，用于采集伺服机构输出的动作信号，并转换为相应的模拟电压反馈信号。

具体的，所述AD转换电路的引脚9与位移转换器的输出端连接，接收所述位移传感器输出的模拟电压反馈信号，并转换为数字电压反馈信号。

优选的，所述ARM电路首先对接收到的外部指令信号和数字电压反馈信号进行滤波得到误差量，基于所述误差量得到所述控制量的数字电压信号；

对接收到的外部指令信号和数字电压反馈信号进行滤波，包括：

将当前运算周期的外部数字指令信号与滤波系数K1相乘，前一运算周期的外部数字指令信号与滤波系数K2相乘，并求和；

将当前运算周期的数字电压反馈信号与滤波系数K1相乘，前一运算周期的数字电压反馈信号与滤波系数K2相乘，并求和；

将所述滤波后的外部数字指令信号与数字电压反馈信号相比较，得到误差量，其中滤波系数K1与滤波系数K2由根据需求选定的滤波器确定。

具体得，所述ARM电路根据所述误差量，通过下述公式得到控制量的数字电压信号：

其中kp、ki、kd为系数，e(k)为当前运算周期输入的误差量，e(k-1)为上个周期输入的误差量。

本发明实施例中的数字式功率放大器，一方面采用ARM电路作为处理器，在ARM软件中可方便的实现高阶数字滤波及智能控制算法，与模拟式功率放大器相比，极大的简化了电路，调试过程中可通过软件对各项参数进行调整，避免反复更换电子元件，提高了调试效率和精度；另一方面，采用ARM电路代替DSP电路应用于功率放大器中，成本更为低廉，在使用一片ARM电路的情况下，搭配多路功率放大电路即可同时实现多路伺服阀的控制，具有很好的扩展性。

另一方面，本发明的一个实施例，公开了一种利用上述数字式功率放大器的功率放大方法，该方法包括以下步骤：

ARM电路根据外部数字指令信号和数字电压反馈信号经滤波和PID计算后得到控制量的数字电压信号；

DA转换电路将所述控制量数字电压信号转换为模拟电压信号；

功率放大电路将接收到的模拟电压信号转换为模拟电流信号；

伺服阀根据所述模拟电流信号控制伺服机构产生动作；

AD转换电路将伺服机构输出的模拟电压反馈信号转换为数字电压反馈信号。

本发明实施例中的利用上述数字式功率放大器的放大方法，一方面，采用ARM电路作为处理器，在ARM软件中可方便的实现高阶数字滤波及智能控制算法，与模拟式功率放大器相比，极大的简化了电路，调试过程中可通过软件对各项参数进行调整，避免反复更换电子元件，提高了调试效率和精度；另一方面，采用ARM电路代替DSP电路应用于功率放大器，成本更为低廉，在使用一片ARM电路的情况下，搭配多路功率放大电路即可同时实现多路伺服阀的控制，具有很好的扩展性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种数字式功率放大器，其特征在于，包括ARM电路、DA转换电路、功率放大电路、伺服阀、伺服机构和AD转换电路；

所述ARM电路，用于根据外部数字指令信号和所述AD转换电路输出的数字电压反馈信号得到控制量的数字电压信号；

所述ARM电路首先对接收到的外部指令信号和数字电压反馈信号进行滤波得到误差量，基于所述误差量得到所述控制量的数字电压信号；

对接收到的外部指令信号和数字电压反馈信号进行滤波，包括：

将当前运算周期的外部数字指令信号与滤波系数K1相乘，前一运算周期的外部数字指令信号与滤波系数K2相乘，并求和；

将当前运算周期的数字电压反馈信号与滤波系数K1相乘，前一运算周期的数字电压反馈信号与滤波系数K2相乘，并求和；

将所述滤波后的外部数字指令信号与数字电压反馈信号相比较，得到误差量；

所述ARM电路根据所述误差量，通过下述公式得到控制量的数字电压信号：

其中kp、ki、kd为系数，e(k)为当前运算周期输入的误差量，e(k-1)为上个周期输入的误差量；

所述DA转换电路，用于将所述控制量数字电压信号转换为模拟电压信号；

所述功率放大电路，用于将所述模拟电压信号放大并转换为模拟电流信号；

所述伺服阀，用于根据所述模拟电流信号控制伺服机构产生动作；

所述AD转换电路，用于采集表征伺服机构动作的模拟电压反馈信号并转换为数字电压反馈信号。

2.根据权利要求1所述的一种数字式功率放大器，其特征在于，所述ARM电路包括STM32F103芯片及外围电路，所述AD转换电路包括TLC3578芯片，所述DA转换电路包括AD5644芯片；

所述STM32F103芯片的PB10和PB11用于与外部计算机或控制器相连接，接收外部数字指令信号；

所述STM32F103芯片的引脚PB0与所述TLC3578芯片引脚2连接，引脚PB1与引脚4连接，引脚PB12与引脚8连接，引脚PB13与引脚1连接，引脚PB14与引脚5连接，引脚PB15与引脚3连接，引脚PB5与引脚24连接，以实现ARM电路接收AD转换电路输出的数字电压反馈信号；

所述STM32F103芯片的引脚PA5与所述AD5644芯片的引脚6连接，引脚PA6与引脚7连接，引脚PA7与引脚8连接，以实现ARM电路向DA转换电路输出控制量数字电压信号。

3.根据权利要求2所述的一种数字式功率放大器，其特征在于，所述AD转换电路还包括外围电路：

所述TLC3578芯片的引脚2和24分别串联电阻R122和R126与外部3.3V电源连接，引脚13与外部5V电源连接，引脚14与4VREF端连接，引脚15与外部5V电源连接；引脚17、23并联后与电容C103的一端、电容C104的一端以及外部5V电源连接，引脚18、22并联后与电容C112的一端、电容C103的另一端以及电容C104的另一端连接，并接地；电容C112的另一端与引脚21连接；引脚19与电容C113的一端、电容C114的一端以及4VREF端连接，引脚20与电容C113的另一端、电容C114的另一端连接，并接地；引脚7与电容C115的一端以及外部3V电源连接，引脚6与电容C115的另一端连接，并接地。

4.根据权利要求3所述的一种数字式功率放大器，其特征在于，所述DA转换电路还包括外围电路：

所述AD5644芯片的引脚3接地，引脚10通过电容C93接地，引脚9与电容C95的一端、电容C94的一端以及外部5V电源连接，电容C95的另一端与电容C94的另一端连接，并接地。

5.根据权利要求4所述的一种数字式功率放大器，其特征在于，所述功率放大电路包括两片放大器TLE2142和芯片FH3/4K；放大器1的引脚3串联电阻R83与所述DA转换电路的引脚1连接，接收所述DA转换电路输出的模拟电压信号；

所述放大器1的引脚2和引脚1之间串联电阻R65，且引脚2与5VREF端之间串联电阻R59，5VREF端串联电容C100并接地，放大器1的引脚4与VSS端连接，VSS端串联电容C102并接地，放大器1的引脚8与VDD端连接，VDD端串联电容C98并接地；

所述放大器2的引脚6与所述放大器1的引脚1之间串联电阻R57，所述放大器2的引脚6还串联电阻R61后与所述伺服阀的输入端连接，并串联电阻R63接地；

所述芯片FH3/4K的引脚3和4并联后串联电阻R55与所述放大器2的引脚7连接，所述芯片FH3/4K的引脚5与VSS端连接，引脚8与VDD端连接，引脚1和3并联后串联电阻R51与伺服阀的输入端连接，输出相应的模拟电流信号。

6.根据权利要求5所述的一种数字式功率放大器，其特征在于，所述伺服机构还包括位移传感器，用于采集伺服机构输出的动作信号，并转换为相应的模拟电压反馈信号。

7.根据权利要求6所述的一种数字式功率放大器，其特征在于，所述AD转换电路的引脚9与位移转换器的输出端连接，接收所述位移传感器输出的模拟电压反馈信号，并转换为数字电压反馈信号。

8.一种利用权利要求7数字功率放大器的功率放大方法，其特征在于，

ARM电路根据外部数字指令信号和数字电压反馈信号经滤波和PID计算后得到控制量的数字电压信号；

DA转换电路将所述控制量数字电压信号转换为模拟电压信号；

功率放大电路将接收到的模拟电压信号转换为模拟电流信号；

伺服阀根据所述模拟电流信号控制伺服机构产生动作；

AD转换电路将伺服机构输出的模拟电压反馈信号转换为数字电压反馈信号。

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