CN115097899A - 一种高响应电源波形模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高响应电源波形模拟方法，首先通过提高系统运行机制，以及对多参数的数字环路零极点进行补偿，实现任意电源波形的高速功率输出；再运用数字频率合成的设计方法，实现频率、相位、幅值的高分辨精确可调，同时保证每个点的输出精度与稳定度；运用数字滤波器的设计方法，实现输出电源波形的低噪声与高可靠性。该方法能实现任意波形的高速功率输出，且每个输出点都灵活可控，并能实现频率、幅值、相位的精确可调，消除运行风险，从而提高电源波形模拟装置的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种高响应电源波形模拟方法。
背景技术
随着电子技术和自动控制的飞速发展，电路在航天和国防、消费类电子产品、计算机和外设、通信和汽车电子等行业得到了越来越多的应用，不管是模块电路还是微型集成电路芯片，都需要供电电源来为其供电才能正常工作，而面对越来越复杂的供电环境，电路板或集成电路能否适应复杂多变的供电环境成为了产品或系统能否稳定工作的关键因素。因此在产品研发、维修保障过程中需要对电路板适应供电电源波动的能力进行测试，单纯测量稳态供电不一定能对产品进行良好的筛查，还需要对供电电源的波动进行模拟以测试电源瞬态变动对电路板或集成电路的影响。
目前，在市场上很难找到大功率且具备高速响应能力的电源波形模拟装置，现有技术的方案是使用单独的直流电源提供所需的功率，并且使用电阻、电容和电感等分立元器件搭建固定的波形模拟模块，用于电子电路系统和集成电路器件的测试。单独而言，直流电源可连续地输出功率，并且具有出色的直流精度和稳定性，但是使用分立器件搭建的波形模拟模块在精度、响应速度和稳定性上的表现都差强人意，同时使用固定的模块也无法灵活地改变模拟波形的参数，往往完成一次复杂的波形模拟需要规模相当庞大的波形模拟电路，并且要达到较高的精度需要相对更高的成本才能实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种高响应电源波形模拟方法，该方法能实现任意波形的高速功率输出，且每个输出点都灵活可控，并能实现频率、幅值、相位的精确可调，消除运行风险，从而提高电源波形模拟装置的可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高响应电源波形模拟方法，所述方法包括：
步骤1、通过提高系统运行机制，以及对多参数的数字环路零极点进行补偿，实现任意电源波形的高速功率输出；
步骤2、再运用数字频率合成的设计方法，实现频率、相位、幅值的高分辨精确可调，同时保证每个点的输出精度与稳定度；
步骤3、运用数字滤波器的设计方法，实现输出电源波形的低噪声与高可靠性。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能实现任意波形的高速功率输出，且每个输出点都灵活可控，并能实现频率、幅值、相位的精确可调，消除运行风险，从而提高电源波形模拟装置的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的高响应电源波形模拟方法流程示意图；
图2为本发明实施例所述Ⅲ型补偿控制模型的电路原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示为本发明实施例提供的高响应电源波形模拟方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、通过提高系统运行机制，以及对多参数的数字环路零极点进行补偿，实现任意电源波形的高速功率输出；
在该步骤中，所述系统运行机制包括：控制系统速度、系统环路参数、运放响应速度，其中：
提高控制系统速度是使用FPGA作为主控板的控制核心，搭配一片高速的SRAM，而非传统51核或者ARM核的MCU；
提高系统环路参数是在数据与参数存储方面将相关参数项合理编排或分块连续管理，以增加参数存储与提取的效率；
提高运放响应速度是选用电流输出型DAC作为参考DAC，选用乘法带宽达到1MHz的电流输出型乘法DAC作为主DAC，同时使用两款DAC搭配使用，既可以保证上升速度，又可以有效提高DAC输出的精度，因此在精度和速度两方面都得到了保证。
所述对多参数的数字环路零极点进行补偿的过程具体为：
使用数字信号处理器DSP根据设置和回读的电压电流值确定对应输出范围的环路调节参数，并应用电路拓扑的特征算法产生高频信号，以使电源系统在很宽的输出范围内都能保证很好的环路特性；
在具体的补偿方案上使用Ⅲ型补偿控制模型来补偿低ESR电解电容引起的双极点，如图2所示为本发明实施例所述Ⅲ型补偿控制模型的电路原理图，以单元拓扑为例，首先由单元拓扑的小信号模型，由下式计算出系统主功率回路的传递函数：
其中，R1、R2和R3为电阻；C1、C2和C3为电容；Uo(s)为输出值；Uin(s)为输入值；s为域函数变量代号；
从中可看出所述Ⅲ型补偿控制模型存在三个极点和两个零点，其中一个为零极点，具体频率点表示为：
(a)一个零极点，频率为
(b)第一个零点，频率为
(c)第二个零点，频率为
(d)第一个极点，频率为
(e)第二个极点，频率为
然后由CAD软件绘制出主功率回路传递函数的增益曲线和相位曲线；由环路补偿电路的阻容值及所述Ⅲ型补偿控制模型的补偿特性，得出环路补偿电路的增益曲线和相位曲线；由主功率回路的传递函数和环路补偿电路的传递函数得出主功率回路总的开环传递函数的增益曲线和相位曲线；通过所得到的增益曲线和相位曲线，获得影响系统稳定性的各参数，包括系统补偿后的低频增益、穿越频率以及穿越频率后的斜率、相位裕度；并根据各参数的值对数字补偿器进行相应调整，使各参数值符合自动控制系统的稳定条件；
将环路补偿电路的参数采用T变换、零极点匹配的方法进行离散化处理，通过s域到z域变量的映射关系得到离散传递函数，进而得到数字补偿器的多维数字补偿参数表，以备数字信号处理器DSP计算与查表处理，从而使数字补偿器逼近预想补偿控制模型的性能；
上述数字补偿方式的最大优势在于可以通过系统返回值和实际系统工作状态，在全工作频段内将不同的补偿参数应用于不同的工作频率范围内，而并非使用一套补偿参数来应对相对较宽的工作频段。
在本实例中，对多参数的数字环路零极点进行补偿的目的是使总开环系统的相位裕量大于45度，系统的开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率为-1。
步骤2、再运用数字频率合成的设计方法，实现频率、相位、幅值的高分辨精确可调，同时保证每个点的输出精度与稳定度；
在该步骤中，具体是利用FPGA高速处理数据的能力，采用直接数字式频率合成器DDFS实现高速波形发生。
具体实现中，该DDFS具有相对带宽宽，频率转换时间短，频率分辨率高等优点；另外全数字化结构便于集成，输出相位连续，可以实现任意波形生成，能够满足本项目对高速性、精确性的要求。
具体实现中，在FPGA中定义ROM空间来存储所需要波形的量化数据，根据不同的频率要求，以频率控制字作为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内部的波形数据，经D/A转换和幅度控制，再经过滤波器滤波便可以得到所需要的波形。
FPGA主要设计了以下功能：
(1)可以保存频率控制字，然后根据频率控制字生成可用于寻址的同步时钟，根据此同步时钟寻址访问片内ROM空间，并从中读出相应的波形数据；
(2)能够用内部的存储模块构成可以存放多种波形数据的ROM，再通过对应的控制线进行多功能选择，通过波形选择控制字选通相应波形的ROM存储器，从而实现响应波形的数据读取；
(3)构建出两个多波形选择的输出通道，其中的一条通道可具备相移功能；
(4)对外部低频晶振源进行内部倍频和分频，输出与主DA时钟同频的时钟，达到驱动片外高速D/A的目的；
(5)能够保存初始相位控制字，并根据其初始相位值计算出相应波形ROM空间的初始数据地址，并寻址读取数据；
(6)能够保存振幅控制字，与乘法器配合进行幅度调整。该结构可以实现设定波形输出和任意波形输出。在相位寻址过程中使用相位累加器对输入相位控制字进行累加运算，输入相位控制字决定输出信号的初始相位，而其输出频率和频率分辨率则由可变时钟控制的计数器位数所决定，因此相位累加器、乘法器和可变时钟控制器是整个DDFS性能的关键部分。
由于DDFS整体是一个开环系统，其中没有任何的反馈环节和回路，因此可以频率转换时间极短，可以达到纳秒级别，并且频率的切换速度很快，频率切换时相位连续，完全可以满足本项目频率响应快的需求。
步骤3、运用数字滤波器的设计方法，实现输出电源波形的低噪声与高可靠性。
在该步骤中，数字滤波器的设计方法具体过程为：
使用高速ADC将输出波形的实时采样数据读入通过FPGA构建的数据缓冲器中；
将固定或可变采样时间窗口中的采样数据进行频域变换并进行数据离散化，得到其在z域的离散化波形数据；
将离散化波形数据进行平滑操作，剔除相应高频数据，达到低通滤波器的效果；
最后再将处理后的离散化波形数据进行反变换，得到其时域采样点数据并拟合成时域波形。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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披露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种高响应电源波形模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、通过提高系统运行机制，以及对多参数的数字环路零极点进行补偿，实现任意电源波形的高速功率输出；
步骤2、再运用数字频率合成的设计方法，实现频率、相位、幅值的高分辨精确可调，同时保证每个点的输出精度与稳定度；
步骤3、运用数字滤波器的设计方法，实现输出电源波形的低噪声与高可靠性。
2.根据权利要求1所述高响应电源波形模拟方法，其特征在于，在步骤1中，
所述系统运行机制包括：控制系统速度、系统环路参数、运放响应速度。
3.根据权利要求2所述高响应电源波形模拟方法，其特征在于，
提高控制系统速度是使用FPGA作为主控板的控制核心，搭配一片高速的SRAM，而非传统51核或者ARM核的MCU；
提高系统环路参数是在数据与参数存储方面将相关参数项合理编排或分块连续管理，以增加参数存储与提取的效率；
提高运放响应速度是选用电流输出型DAC作为参考DAC，选用乘法带宽达到1MHz的电流输出型乘法DAC作为主DAC，同时使用两款DAC搭配使用，既可以保证上升速度，又可以有效提高DAC输出的精度。
4.根据权利要求1所述高响应电源波形模拟方法，其特征在于，在步骤1中，所述对多参数的数字环路零极点进行补偿的过程具体为：
使用Ⅲ型补偿控制模型来补偿低ESR电解电容引起的双极点，以拓扑单元为例，首先由单元拓扑的小信号模型，由下式计算出功率回路的传递函数：
其中，R1、R2和R3为电阻；C1、C2和C3为电容；Uo(s)为输出值；Uin(s)为输入值；s为域函数变量代号；
从中可看出所述Ⅲ型补偿控制模型存在三个极点和两个零点，其中一个为零极点，具体频率点表示为：
(a)一个零极点，频率为
(b)第一个零点，频率为
(c)第二个零点，频率为
(d)第一个极点，频率为
(e)第二个极点，频率为
然后由CAD软件绘制出主功率回路传递函数的增益曲线和相位曲线；由环路补偿电路的阻容值及所述Ⅲ型补偿控制模型的补偿特性，得出环路补偿电路的增益曲线和相位曲线；由主功率回路的传递函数和环路补偿电路的传递函数得出主功率回路总的开环传递函数的增益曲线和相位曲线；通过所得到的增益曲线和相位曲线，获得影响系统稳定性的各参数，包括系统补偿后的低频增益、穿越频率以及穿越频率后的斜率、相位裕度；并根据各参数的值对数字补偿器进行相应调整，使各参数值符合自动控制系统的稳定条件；
将环路补偿电路的参数采用T变换、零极点匹配的方法进行离散化处理，通过s域到z域变量的映射关系得到离散传递函数，进而得到数字补偿器的多维数字补偿参数表，以备数字信号处理器DSP计算与查表处理，从而使数字补偿器逼近预想补偿控制模型的性能；
上述数字补偿方式能够通过系统返回值和实际系统工作状态，在全工作频段内将不同的补偿参数应用于不同的工作频率范围内，而并非使用一套补偿参数来应对相对较宽的工作频段。
5.根据权利要求1所述高响应电源波形模拟方法，其特征在于，在步骤2中，运用数字频率合成的设计方法具体过程为：
利用FPGA高速处理数据的能力，采用直接数字式频率合成器DDFS实现高速波形发生。
6.根据权利要求1所述高响应电源波形模拟方法，其特征在于，在步骤3中，数字滤波器的设计方法具体过程为：
使用高速ADC将输出波形的实时采样数据读入通过FPGA构建的数据缓冲器中；
将固定或可变采样时间窗口中的采样数据进行频域变换并进行数据离散化，得到其在z域的离散化波形数据；
将离散化波形数据进行平滑操作，剔除相应高频数据，达到低通滤波器的效果；
最后再将处理后的离散化波形数据进行反变换，得到其时域采样点数据并拟合成时域波形。
7.根据权利要求4所述高响应电源波形模拟方法，其特征在于，
对多参数的数字环路零极点进行补偿的目的是使总开环系统的相位裕量大于45度，系统的开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率为-1。
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Legal Events
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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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