CN111880000A - 一种射频电源脉冲功率检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种射频电源脉冲功率检测电路。该检测电路包括信号波信号预处理电路、脉冲保持电路、电压功率转换电路，信号波为入射波或反射波，信号波信号预处理电路、脉冲保持电路、电压功率转换电路依次电连接。本发明提供的射频电源脉冲功率检测电路，可以精准检测出重复频率和占空比可变的脉冲射频功率，对连续波状态下同样可以使用，产品适应性高。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种射频电源脉冲功率检测电路，用于全固态射频电源的射频脉冲功率检测。
背景技术
射频表示一种震荡频率，射频电源已经广泛应用在等离子体发生、射频感应加热等领域。目前市场上射频电源大多只能输出连续波功率，在特定的等离子体加工应用场合，由于连续波功率能量较大，造成被加工材料温度过高，材料特性变差而无法使用，造成材料的浪费，增加生产成本。
在上述情况下，使用脉冲输出的射频功率进行加工，由于峰值功率幅度与连续波功率相等，而平均功率降低，有效避免被加工材料受热过高的问题。然而要输出精准的脉冲射频功率需要精确的检测出射频入射和反射波的峰值功率，而脉冲的重复频率从10Hz-30kHz可调，占空比从10％-90％可调，传统的峰值检测电路无法适应此大范围的信号变化，这就亟需一种针对射频电源耐冲功率的检测电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述缺陷，本发明提供一种射频电源脉冲功率检测电路，可以精准检测出重复频率和占空比可变的脉冲射频功率，对连续波状态下同样可以使用，产品适应性高。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：一种射频电源脉冲功率检测电路，包括信号波信号预处理电路、脉冲保持电路、电压功率转换电路，信号波为入射波或反射波，所述信号波信号预处理电路、脉冲保持电路、电压功率转换电路依次电连接。
进一步的，所述信号波信号预处理电路由信号放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R14、二极管D1、二极管D2、二极管D3、可变电阻W1组成，所述信号放大器U1包括第一信号放大器U1-1、第二信号放大器U1-2、第三信号放大器U1-3和第四信号放大器U1-4；
所述第一信号放大器U1-1接收射频电源检波器输出的信号波检波电压信号，所述第一信号放大器U1-1输出端串联有电阻R7后与第三信号放大器U1-3正相输入端连接，第三信号放大器U1-3输出端与脉冲保持电路电连接；
所述可变电阻W1一端接入-15V电压，另一端依次与电阻R1、二极管D1、二极管D2、电阻R14串联，电阻R14另一端接地；所述二极管D1、二极管D2间接入第四信号放大器U1-4，所述第四信号放大器U1-4输出端与第一信号放大器U1-1正相输入端还连接有电阻R2，所述第一信号放大器U1-1反向输入端与第一信号放大器U1-1输出端连接有电阻R3；
所述第二信号放大器U1-2正相输入端与第四信号放大器U1-4输出端连接，第二信号放大器U1-2输出端依次串联有电阻R5、电阻R6，并与第三信号放大器U1-3反相输入端连接；所述第二信号放大器U1-2反相输入端与第二信号放大器U1-2输出端连接有电阻R4；所述第三信号放大器U1-3反相输入端与第三信号放大器U1-3输出端连接有电阻R9；
所述电阻R7与第三信号放大器U1-3正相输入端间引出接地的电阻R8；所述电阻R5、电阻R6间引出接地的二极管D3。
更进一步的，所述脉冲保持电路由反相器U2、采样保持器U3、电阻R10、电阻R11、电容C1、电容C2组成；
所述第三信号放大器U1-3输出端输出端与采样保持器U3第三电脚电连接，所述采样保持器U3第一电脚接入+15V电压，采样保持器U3第四电脚接入-15V电压，采样保持器U3第八电脚接入调制脉冲同步信号电路，采样保持器U3第六电脚接地连接有电容C2，采样保持器U3第五电脚与电压功率转换电路电连接；
所述同步信号电路从脉冲同步信号接入电阻R11、并与反相器U2串联后接入采样保持器U3第八电脚，所述反相器U2包括串联的第一反相器U2-1、第二反相器U2-2；所述脉冲同步信号输出端与电阻R11间并联有接入5V电压的电阻R10；所述电阻R11与第一反相器U2-1间引出接地设置的电容C1。
更进一步的，所述电压功率转换电路由硬件乘法器U4、电阻R12、电阻R13、电阻R15、二极管D4、二极管D5、可变电阻W2、可变电阻W3组成；
所述采样保持器U3第五电脚分别接入硬件乘法器U4第一电脚和硬件乘法器U4第三电脚，硬件乘法器U4第二电脚、硬件乘法器U4第四电脚接地；硬件乘法器U4第八电脚接入+15V电压，硬件乘法器U4第五电脚接入-15V电压，所述硬件乘法器U4第六电脚、硬件乘法器U4第七电脚间接入电阻R15，电阻R15与硬件乘法器U4第六电脚一端接入可变电阻W3一端，所述可变电阻W3与可变电阻W2协同调节，所述可变电阻W2一端接入具有+15V电压的电阻R12，一端接入具有-15V电压的电阻R13，硬件乘法器U4第七电脚输出信号波功率检测信号；
所述可变电阻W2两端分别通过二极管D4、二极管D5接地，所述二极管D4接入可变电阻W2与电阻R12之间，所述二极管D5接入可变电阻W2与电阻R13之间。
本发明的有益效果是：
采用上述方案，信号波信号与处理电路为射频电源耦合器的检波二极管提供直流偏置电流，使检波二极管处于线性工作状态，保证输出的信号波电压信号有良好的线性动态范围。同时将具备零点补偿电路，当射频电源工作在连续波时检波输出电压在0-5V直流电压，当工作在脉冲模式时检波输出0-5V的脉冲电压；脉冲保持电路通过一个采样保持器将直流检波电源和脉冲检波电压都能统一换成稳定的直流电压信号，便于后续处理；电压功率转换电路通过硬件乘法器将脉冲保持电路输出的电压信号变成与功率成线性对应关系的电压信号输出给射频电源的控制和显示电路。该电路可以精准检测出重复频率和占空比可变的脉冲射频功率，对连续波状态下同样可以使用，产品适应性高，应用范围广。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。
图1为本发明检测电路；
图2为本发明检测电路中信号波信号预处理电路；
图3为本发明检测电路中脉冲保持电路；
图4为本发明检测电路中电压功率转换电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，一种射频电源脉冲功率检测电路，包括信号波信号预处理、脉冲保持电路、电压功率转换电路，信号波为入射波或反射波，所述信号波信号预处理电路、脉冲保持电路、电压功率转换电路依次电连接。
参照图2，所述信号波信号预处理电路由信号放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R14、二极管D1、二极管D2、二极管D3、可变电阻W1组成，所述信号放大器U1包括第一信号放大器U1-1、第二信号放大器U1-2、第三信号放大器U1-3和第四信号放大器U1-4；所述第一信号放大器U1-1接收射频电源检波器输出的信号波检波电压信号，所述第一信号放大器U1-1输出端串联有电阻R7后与第三信号放大器U1-3正相输入端连接，第三信号放大器U1-3输出端与脉冲保持电路电连接；所述可变电阻W1一端接入-15V电压，另一端依次与电阻R1、二极管D1、二极管D2、电阻R14串联，电阻R14另一端接地；所述二极管D1、二极管D2间接入第四信号放大器U1-4，所述第四信号放大器U1-4输出端与第一信号放大器U1-1正相输入端还连接有电阻R2，所述第一信号放大器U1-1反向输入端与第一信号放大器U1-1输出端连接有电阻R3；所述第二信号放大器U1-2正相输入端与第四信号放大器U1-4输出端连接，第二信号放大器U1-2输出端依次串联有电阻R5、电阻R6，并与第三信号放大器U1-3反相输入端连接；所述第二信号放大器U1-2反相输入端与第二信号放大器U1-2输出端连接有电阻R4；所述第三信号放大器U1-3反相输入端与第三信号放大器U1-3输出端连接有电阻R9；所述电阻R7与第三信号放大器U1-3正相输入端间引出接地的电阻R8；所述电阻R5、电阻R6间引出接地的二极管D3。
参照图3，所述脉冲保持电路由反相器U2、采样保持器U3、电阻R10、电阻R11、电容C1、电容C2组成；所述第三信号放大器U1-3输出端输出端与采样保持器U3第三电脚电连接，所述采样保持器U3第一电脚接入+15V电压，采样保持器U3第四电脚接入-15V电压，采样保持器U3第八电脚接入调制脉冲同步信号电路，采样保持器U3第六电脚接地连接有电容C2，采样保持器U3第五电脚与电压功率转换电路电连接；所述同步信号电路从脉冲同步信号接入电阻R11、并与反相器U2串联后接入采样保持器U3第八电脚，所述反相器U2包括串联的第一反相器U2-1、第二反相器U2-2；所述脉冲同步信号输出端与电阻R11间并联有接入5V电压的电阻R10；所述电阻R11与第一反相器U2-1间引出接地设置的电容C1。
参照图4，所述电压功率转换电路由硬件乘法器U4、电阻R12、电阻R13、电阻R15、二极管D4、二极管D5、可变电阻W2、可变电阻W3组成；所述采样保持器U3第五电脚分别接入硬件乘法器U4第一电脚和硬件乘法器U4第三电脚，硬件乘法器U4第二电脚、硬件乘法器U4第四电脚接地；硬件乘法器U4第八电脚接入+15V电压，硬件乘法器U4第五电脚接入-15V电压，所述硬件乘法器U4第六电脚、硬件乘法器U4第七电脚间接入电阻R15，电阻R15与硬件乘法器U4第六电脚一端接入可变电阻W3一端，所述可变电阻W3与可变电阻W2协同调节，所述可变电阻W2一端接入具有+15V电压的电阻R12，一端接入具有-15V电压的电阻R13，硬件乘法器U4第七电脚输出信号波功率检测信号；所述可变电阻W2两端分别通过二极管D4、二极管D5接地，所述二极管D4接入可变电阻W2与电阻R12之间，所述二极管D5接入可变电阻W2与电阻R13之间。
该检测电路的工作原理如下：
信号波信号预处理通过可变电阻W1、电阻R1、二极管D1、二极管D2、电阻R14形成一个范围为0.2-1.0V可调电压，经过第四信号放大器U1-4进行隔离，在第四信号放大器U1-4输出端形成可调电压源，此可调电压源通过电阻R2为射频电源的检波二极管提供约1.0mA偏置电流，使检波二极管在指数状态，检波输出的信号与射频电压成线性对应关系。由于偏置电压的存在，在没有射频功率输出时在第一信号放大器U1输出端会有小幅度电压输出，会破坏线性关系。为了消除该电压，由第一信号放大器U1-1、第二信号放大器U1-2、电阻R3、电阻R4先进行信号隔离，再由第三信号放大器U1-3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、二极管D3组成的差分放大器消除此影响，第三信号放大器U1-3输出的信号始终与射频电压信号的幅度保持良好的线性对应关系。
当射频电源工作在连续波状态时，第三信号放大器U1-3输出端输出稳定的电压信号；当射频电源工作在调制脉冲状态时，第三信号放大器U1-3输出端输出的是与脉冲同步的脉动电压，在脉冲保持电路作用下，输出的稳定的电压信号。脉冲保持电路具有两种工作状态：
(1)当射频电源工作在连续波状态时，加在电阻R11上的信号是5V高电平，通过反相器U2缓冲后加到采样保持器U3第八电脚上，同时从信号波信号预处理输入到采样保持器U3第三电脚上的是一个直流信号，由于采样保持器U3第八电脚始终是高电平，所以采样保持器U3第五电脚的输出始终等于采样保持器U3第三电脚的输入，是一个稳定的电压信号。
(2)当射频电源工作在调制脉冲状态时，加在采样保持器U3第八电脚上的是高低电平交替的信号，同时输入到采样保持器U3第三电脚上是与采样保持器U3第八电脚同步的脉冲电压信号，当采样保持器U3第八电脚输入高电平时，采样保持器U3第五电脚输出等于采样保持器U3第三电脚的输入，并同时向电容C2充电；当采样保持器U3第八电脚输入电压为0V时，此时采样保持器U3第五电脚由电容C2供电，直到下一个高电平来临，保证了采样保持器U3第五电脚输出的信号一直保持连续稳定。
通过采样保持器U3处理后输出的是一个与射频电压成正比的电压信号，而检测电路是需要的是与射频功率成正比的电压信号，根据欧姆定律P＝U2/R，采用硬件乘法器U4将射频电压信号进行平方运算，同时利用可变电阻W2、电阻R12、电阻R13、二极管D4、二极管D5组成调零电路来补偿硬件乘法器U4的失调电压，在利用可变电阻W3、电阻R15调节硬件乘法器U4的增益，最终在硬件乘法器U4第七电脚输出稳定的、与射频功率线性对应的电压信号。
该检测电路可以精准测出重复频率和占空比可变的脉冲射频功率，同时在连续波状态下此电路同样适用，实现了采用一台射频电源既可以为连续波模式，也可以是脉冲模式，增加产品的适应性。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种射频电源脉冲功率检测电路，其特征在于：包括信号波信号预处理电路、脉冲保持电路、电压功率转换电路，信号波为入射波或反射波，所述信号波信号预处理电路、脉冲保持电路、电压功率转换电路依次电连接。
2.根据权利要求1所述的一种射频电源脉冲功率检测电路，其特征在于：所述信号波信号预处理电路由信号放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R14、二极管D1、二极管D2、二极管D3、可变电阻W1组成，所述信号放大器U1包括第一信号放大器U1-1、第二信号放大器U1-2、第三信号放大器U1-3和第四信号放大器U1-4；
所述第一信号放大器U1-1接收射频电源检波器输出的信号波检波电压信号，所述第一信号放大器U1-1输出端串联有电阻R7后与第三信号放大器U1-3正相输入端连接，第三信号放大器U1-3输出端与脉冲保持电路电连接；
所述可变电阻W1一端接入-15V电压，另一端依次与电阻R1、二极管D1、二极管D2、电阻R14串联，电阻R14另一端接地；所述二极管D1、二极管D2间接入第四信号放大器U1-4，所述第四信号放大器U1-4输出端与第一信号放大器U1-1正相输入端还连接有电阻R2，所述第一信号放大器U1-1反向输入端与第一信号放大器U1-1输出端连接有电阻R3；
所述第二信号放大器U1-2正相输入端与第四信号放大器U1-4输出端连接，第二信号放大器U1-2输出端依次串联有电阻R5、电阻R6，并与第三信号放大器U1-3反相输入端连接；所述第二信号放大器U1-2反相输入端与第二信号放大器U1-2输出端连接有电阻R4；所述第三信号放大器U1-3反相输入端与第三信号放大器U1-3输出端连接有电阻R9；
所述电阻R7与第三信号放大器U1-3正相输入端间引出接地的电阻R8；所述电阻R5、电阻R6间引出接地的二极管D3。
3.根据权利要求2所述的一种射频电源脉冲功率检测电路，其特征在于：所述脉冲保持电路由反相器U2、采样保持器U3、电阻R10、电阻R11、电容C1、电容C2组成；
所述第三信号放大器U1-3输出端输出端与采样保持器U3第三电脚电连接，所述采样保持器U3第一电脚接入+15V电压，采样保持器U3第四电脚接入-15V电压，采样保持器U3第八电脚接入调制脉冲同步信号电路，采样保持器U3第六电脚接地连接有电容C2，采样保持器U3第五电脚与电压功率转换电路电连接；
所述同步信号电路从脉冲同步信号接入电阻R11、并与反相器U2串联后接入采样保持器U3第八电脚，所述反相器U2包括串联的第一反相器U2-1、第二反相器U2-2；所述脉冲同步信号输出端与电阻R11间并联有接入5V电压的电阻R10；所述电阻R11与第一反相器U2-1间引出接地设置的电容C1。
4.根据权利要求3所述的一种射频电源脉冲功率检测电路，其特征在于：所述电压功率转换电路由硬件乘法器U4、电阻R12、电阻R13、电阻R15、二极管D4、二极管D5、可变电阻W2、可变电阻W3组成；
所述采样保持器U3第五电脚分别接入硬件乘法器U4第一电脚和硬件乘法器U4第三电脚，硬件乘法器U4第二电脚、硬件乘法器U4第四电脚接地；硬件乘法器U4第八电脚接入+15V电压，硬件乘法器U4第五电脚接入-15V电压，所述硬件乘法器U4第六电脚、硬件乘法器U4第七电脚间接入电阻R15，电阻R15与硬件乘法器U4第六电脚一端接入可变电阻W3一端，所述可变电阻W3与可变电阻W2协同调节，所述可变电阻W2一端接入具有+15V电压的电阻R12，一端接入具有-15V电压的电阻R13，硬件乘法器U4第七电脚输出信号波功率检测信号；
所述可变电阻W2两端分别通过二极管D4、二极管D5接地，所述二极管D4接入可变电阻W2与电阻R12之间，所述二极管D5接入可变电阻W2与电阻R13之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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