CN215990733U - 脉宽调制放大滤波及信号采集电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种脉宽调制放大滤波及信号采集电路，包括：依次连接的功率放大器芯片，LC低通滤波器，电流传感器，第三隔离变压器，还包括电流回采电路，输出电压回采电路和信号滤波电路，其中，所述LC低通滤波器连接第三隔离变压器；所述电流传感器连接电流回采电路；所述第三隔离变压器连接输出电压回采电路；所述电流传感器通过电流回采电路连接至信号滤波电路；所述第三隔离变压器通过输出电压回采电路连接至信号滤波电路。本实用新型的脉宽调制放大滤波及信号采集电路利于实现功率放大器输出的电压、电流进行精确采集和定量分析，从而避免功率放大器输出端发生过流、过载等故障。

Description

脉宽调制放大滤波及信号采集电路

技术领域

本实用新型属于电子领域，特别涉及一种脉宽调制放大滤波及信号采集电路。

背景技术

现有的功率放大器可采用A类、B类、AB类和D类几种类型。其中，D类数字功率放大器工作时输出级MOS管处于完全导通或完全关闭的状态，其开关频率通常在200KHz～1MHz之间，远高于输入信号的频率，减少进入MOS管的线性放大工作区时间而发生功放转换效率低下的问题。D类功率放大器相较于A类、B类、AB类等成熟应用的音频功率放大器而言，具备更高的转换效率、更大的输出功率和更低的失真率等特点，D类数字功率放大器主要由脉宽调制(PWM)、开关放大、输出滤波等模块组成。

现有的工业控制领域的数字功率放大系统由于系统架构等限制，通常将产生模拟输入信号的信号发生电路和功率放大电路(或功率放大器)分为两块电路板制作，两板再经由信号传输接口电路板进行信号传输，数字功率放大系统的模拟输入信号在信号发生电路和功率放大器间长距离传输易受到外界电磁干扰影响而失真。

由于目前没有高效的方式，实现对功率放大器输出的电压、电流进行精确采集和定量分析，因此功率放大器输出端易发生过流、过载等故障。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种脉宽调制放大滤波及信号采集电路。

本实用新型的脉宽调制放大滤波及信号采集电路包括：

功率放大器芯片、LC低通滤波器(GL3)、电流传感器(GL4)、第三隔离变压器(GL5)、电流回采电路(I1)和输出电压回采电路(I2)，

其中，

所述功率放大器芯片、所述LC低通滤波器(GL3)、所述电流传感器(GL4)和所述第三隔离变压器(GL5)依次电连接；

所述LC低通滤波器(GL3)电连接所述第三隔离变压器(GL5)；

所述电流传感器(GL4)电连接所述电流回采电路(I1)；

所述第三隔离变压器(GL5)电连接所述输出电压回采电路(I2)。

进一步，

还包括信号滤波电路(GL6)，

所述电流回采电路(I1)和输出电压回采电路(I2)均连接至所述信号滤波电路(GL6)。

进一步，

所述信号滤波电路(GL6)连接A/D转换芯片(GL7)。

进一步，

设置于功率放大器(GL)中，所述功率放大器(GL)为独立的硬件。

进一步，

所述功率放大器芯片连接第二隔离变压器(GL1)。

进一步，

所述功率放大器芯片连接跨板隔离电路。

进一步，

所述跨板隔离电路为信号传输抗干扰和隔离电路(SL)。

进一步，

所述信号传输抗干扰和隔离电路(SL)包括第一隔离变压器(ML4)、第二隔离变压器(GL1)和传输接口电路(CL)的第一部分，

所述第一隔离变压器(ML4)设置于模拟信号发生电路(ML)中，所述第二隔离变压器(GL1)设置于所述功率放大器(GL)中；

所述模拟信号发生电路(ML)、传输接口电路(CL)和功率放大器(GL)硬件上相互隔离独立。

进一步，

所述功率放大器芯片为D类功率放大器芯片(GL2)。

进一步，

所述第三隔离变压器(GL5)连接负载。

本实用新型的脉宽调制放大滤波及信号采集电路利于实现功率放大器输出的电压、电流进行精确采集和定量分析，从而避免功率放大器输出端发生过流、过载等故障。本实用新型还提高了长距离跨板模拟信号传输抗干扰能力，并具备板间信号隔离功能，提高了系统的可靠性、稳定性。采用所述脉宽调制放大滤波及信号采集电路的数字功率放大系统进一步可采用功率放大器输出电压、电流信号回采的方式，可对功率放大器输入信号形成反馈，动态调整输入信号幅度，降低功率放大器负载侧发生过流、过压等的故障概率，提高功率放大器的可靠性。

采用所述脉宽调制放大滤波及信号采集电路的数字功率放大系统通过引入跨板隔离电路对输入信号进行转换处理，可提高数字功率放大器输入端信号传输抗干扰能力。所述数字功率放大系统还可通过搭建信号采集及调理电路对功率放大器输出的电压、电流信号进行采集，经模/数转换芯片和高速数字差分接口将数字信号反馈给输入端，实现数据高可靠传输及数据定量反馈，动态调整功率放大器输入侧信号幅度，实现对输出信号的闭环控制。

采用所述脉宽调制放大滤波及信号采集电路的数字功率放大系统可采用高度集成PWM硬件电路和开关放大电路的D类数字功率放大芯片电路，相比于现有的通过分立元件设计的D类功率放大电路，能够实现更高的电路集成度，节省电路板卡空间，提升了系统可靠性。利用本实用新型采用单端模拟信号转换为差分模拟信号并传输的方法，可提高长距离跨板模拟信号传输抗干扰能力，并实现板间信号隔离，提高了系统的可靠性、稳定性。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1示出了根据本实用新型实施例的抗干扰闭环控制的数字功率放大系统结构示意图；

图2示出了根据本实用新型实施例的信号传输抗干扰和隔离电路结构示意图；

图3示出了根据本实用新型实施例的脉宽调制放大滤波及信号采集电路结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1示出了采用本实用新型的抗干扰闭环控制的数字功率放大系统的结构示意图。图1中各标记符号的物理含义为，ML：模拟信号发生电路，ML1：CPU，ML2：直接数字式频率合成器(DDS)电路，ML3：电流/电压转换电路，ML4：第一隔离变压器，ML5：第一隔离模块，CL：传输接口电路，GL：功率放大器，GL1：第二隔离变压器，GL2：D类功率放大器芯片，GL3：LC低通滤波器，GL4：电流传感器，GL5：第三隔离变压器，GL6：信号滤波电路，GL7：A/D转换芯片，GL8：第二隔离模块，DL：单端模拟信号生成电路，SL：信号传输抗干扰和隔离电路，PL：脉宽调制(PWM)放大滤波及信号采集电路，LI：低电压差分信号(LVDS)接口和隔离电路，S1：单端模拟信号，S2：第一差分模拟信号，S3：第二差分模拟信号，S4：第一模拟信号，S5：第一数字信号，S6：第三数字信号，S7：第五数字信号，S8：第二模拟信号，S9：第二数字信号，S10：第四数字信号，S11：第六数字信号，I1：电流回采电路，I2：输出电压回采电路。图1中各箭头所示为信号传输方向。

由图1可知，本实用新型的数字功率放大系统结构主要包括硬件上相互隔离的模拟信号发生电路ML、传输接口电路CL和功率放大器GL，模拟信号发生电路ML、传输接口电路CL和功率放大器GL分别设置在各自隔离且独立的板卡或电路板上。所述模拟信号发生电路ML包括CPU ML1、DDS电路ML2、电流/电压转换电路ML3、第一隔离变压器ML4、第一隔离模块ML5。功率放大器GL包括第二隔离变压器GL1、D类功率放大器芯片GL2、LC低通滤波器GL3、电流传感器GL4、第三隔离变压器GL5，信号滤波电路GL6，A/D转换芯片GL7，第二隔离模块GL8。

参见图1，可知采用本实用新型的数字功率放大系统结构包括：单端模拟信号生成电路DL，信号传输抗干扰和隔离电路SL，PWM放大滤波及信号采集电路PL，LVDS接口和隔离电路LI。其中，单端模拟信号生成电路DL包括DDS电路ML2、电流/电压转换电路ML3；信号传输抗干扰和隔离电路SL包括第一隔离变压器ML4、传输接口电路CL的第一部分、第二隔离变压器GL1；PWM放大滤波及信号采集电路PL包括D类功率放大器芯片GL2、LC低通滤波器GL3、电流传感器GL4、第三隔离变压器GL5和信号滤波电路GL6；LVDS接口和隔离电路LI包括第二隔离模块GL8，传输接口电路CL的第二部分，第一隔离模块ML5。

在采用本实用新型的数字功率放大系统结构中，CPU ML1，DDS电路ML2，电流/电压转换电路ML3，第一隔离变压器ML4依次连接。第一隔离变压器ML4通过所述传输接口电路CL的第一部分连接第二隔离变压器GL1。第二隔离变压器GL1，D类功率放大器芯片GL2，LC低通滤波器GL3，电流传感器GL4，第三隔离变压器GL5依次连接，且LC低通滤波器GL3连接第三隔离变压器GL5。电流传感器GL4通过电流回采电路I1连接至信号滤波电路GL6，第三隔离变压器GL5通过输出电压回采电路I2连接至信号滤波电路GL6。信号滤波电路GL6，A/D转换芯片GL7，第二隔离模块GL8依次连接。第二隔离模块GL8通过传输接口电路CL的第二部分连接第一隔离模块ML5，而第一隔离模块ML5连接至CPU ML1。

采用本实用新型的数字功率放大系统结构中，单端模拟信号生成电路DL中的电流/电压转换电路ML3发送单端模拟信号S1至信号传输抗干扰和隔离电路SL中的第一隔离变压器ML4。单端模拟信号S1经第一隔离变压器ML4的隔离及信号转换处理，成为第一差分模拟信号S2。第一差分模拟信号S2经第二隔离变压器GL1的隔离及信号转换处理，成为第二差分模拟信号S3。信号滤波电路GL6接收输出电压回采电路I2的输出电压回采信号发出第一模拟信号S4(即滤波后的输出电压回采信号)，信号滤波电路GL6还接收电流回采电路I1的输出电流回采信号发出第二模拟信号S8(即滤波后的输出电流回采信号)。第一模拟信号S4经A/D转换芯片GL7转换为第一数字信号S5，第二模拟信号S8经A/D转换芯片GL7转换为第二数字信号S9。第一数字信号S5经第二隔离模块GL8的隔离成为第三数字信号S6，第二数字信号S9经第二隔离模块GL8的隔离成为第四数字信号S10。第三数字信号S6经第一隔离模块ML5的隔离成为第五数字信号S7发送至CPU ML1，第四数字信号S10经第一隔离模块ML5的隔离成为第六数字信号S11发送至CPU ML1。其中，单端模拟信号S1经过第一隔离变压器ML4和第二隔离变压器GL1被转换成为第二差分模拟信号S3，提高了系统信号传输的抗干扰能力，同时模拟信号发生电路ML中的单端模拟信号S1与功率放大器GL中的第二差分模拟信号S3被第一隔离变压器ML4和第二隔离变压器GL1隔离开，起到了隔离作用。

在图1中，从A/D转换芯片GL7开始，依次经过第二隔离模块GL8，传输接口电路CL，第一隔离模块ML5，最后至CPU ML1，器件之前的连线按照差分信号走线进行布置，传输的是差分信号。

图1中包括两个跨板隔离电路，第一个跨板隔离电路为信号传输抗干扰和隔离电路SL，第二个跨板隔离电路为LVDS接口和隔离电路LI。其中，信号传输抗干扰和隔离电路SL在所述数字功率放大系统结构中实现单端模拟信号到差分模拟信号的转换和差分模拟信号的传输。图2所示为信号传输抗干扰和隔离电路SL结构示意图。如图2所示，信号传输抗干扰和隔离电路SL包括：第一隔离变压器ML4，传输接口电路CL的第一部分，第二隔离变压器GL1。信号传输抗干扰和隔离电路SL连接D类功率放大器芯片GL2。

由图2可知，单端模拟信号S1由第一隔离变压器ML4的输入侧输入后，第一隔离变压器ML4的输出侧输出一对差分模拟信号FSK_P_1和FSK_N_1。经过第一隔离变压器ML4原、副边两侧的信号隔离及一定电压幅度比例变换，并通过电容C4、C5隔离直流干扰信号后，单端模拟信号S1经第一隔离变压器ML4转换为差分模拟信号FSK_P_1和FSK_N_1。差分模拟信号FSK_P_1和FSK_N_1通过传输接口电路CL跨板传输至功率放大器GL的第二隔离变压器GL1输入侧，第二隔离变压器GL1再将差分模拟信号FSK_P_1、FSK_N_1转换为差分模拟信号FSKP+、FSKN-并由第二隔离变压器GL1的输出侧输出，差分模拟信号FSKP+、FSKN-通过电容C8、C9隔离直流干扰信号后输入到D类功率放大器芯片GL2的INPUT_A和INPUT_B引脚，作为D类功率放大器芯片GL2的输入信号。

信号传输抗干扰和隔离电路SL作用在于将模拟信号发生电路ML中的单端模拟信号S1转换为第一差分模拟信号S2，并提高了第一差分模拟信号S2的跨板传输抗干扰能力，同时第一隔离变压器ML4起到了单端模拟信号S1和第一差分模拟信号S2间的隔离作用。当单端模拟信号生成电路DL功能异常，或外部环境对S1信号传输电路产生幅度较高的严重干扰，均可能对第一隔离变压器ML4原边侧(即输入侧)的板卡电路传输信号产生影响、甚至损坏ML电路所在板卡，但不会影响ML4副边侧(即输出侧)及其他电路板卡的功能、性能。第二隔离变压器GL1同样起到隔离作用，将第一差分模拟信号S2(即差分模拟信号FSK_P_1和FSK_N_1)和第二差分模拟信号S3(即差分模拟信号FSKP+和FSKN-)隔离开，即第二隔离变压器GL1将输入到功率放大器GL前的信号与功率放大器GL所在电路板间产生隔离作用，即便在数据传输过程中第一差分模拟信号S2发生畸变，引入干扰，也不会对第二隔离变压器GL1的副边侧(即输出侧)板卡及电路功能、性能产生影响。C1、C4、C5、C8、C9能够隔离掉数据传输线路中的直流分量，避免因直流分量干扰而损坏相应传输电路的功能和性能。电容C1设置于模拟信号发生电路ML中的第一隔离变压器ML4的输入侧。电容C4、C5设置于第一隔离变压器ML4和第二隔离变压器GL1之间。电容C8、C9设置于第二隔离变压器GL1的输出侧。

图3所示为本实用新型的PWM放大滤波及信号采集电路PL的结构示意图。PWM放大滤波及信号采集电路PL包括：D类功率放大器芯片GL2，LC低通滤波器GL3，电流传感器GL4，第三隔离变压器GL5，信号滤波电路GL6，电流回采电路I1，输出电压回采电路I2。第三隔离变压器GL5可外接负载。

如图3所示，D类功率放大器芯片GL2将所接收到的输入信号FSKP+和FSKN-进行功率放大处理后得到并输出差分模拟信号FSKP+1、FSKN-1，差分模拟信号FSKP+1、FSKN-1由LC低通滤波器GL3接收后经滤波处理得到并输出差分模拟信号FSKP+2、FSKN-2，差分模拟信号FSKP+2和FSKN-2被传输至第三隔离变压器GL5输入侧。电流传感器GL4串联到GL3与GL5之间传输FSKP+2信号的线路中，电流传感器GL4据此对功率放大器输出电流进行感测，并记感测的结果为单端模拟信号ICHECK，单端模拟信号ICHECK被传输至电流回采电路I1。第三隔离变压器GL5对差分模拟信号FSKP+2、FSKN-2进行隔离变压处理后得到单端模拟信号VCHECK，单端模拟信号VCHECK被传输至输出电压回采电路I2。电流回采电路I1和输出电压回采电路I2对各自接收到的单端模拟信号分别进行电流回采和输出电压回采，分别得到输出电流回采信号和输出电压回采信号。在PWM放大滤波及信号采集电路PL中，D类功率放大器芯片GL2和LC低通滤波器GL3，用于对第二差分模拟信号S3先后进行幅度放大和滤波处理，得到差分模拟信号FSKP+2、FSKN-2；电流传感器GL4用于精准采集D类功率放大器芯片GL2输出并经滤波的电流(即功率放大器输出电流)；第三隔离变压器GL5用于进行对D类功率放大器芯片GL2和负载之间进行信号隔离；信号滤波电路GL6对输出电流回采信号和输出电压回采信号进行滤波。

所述抗干扰闭环控制的数字功率放大系统实现了对输出电流、输出电压进行采集，能够实现功率放大器输出功率随着所接负载阻抗不同而动态调整，使得负载变化不影响功率放大器输出功率，具备更高的性能和配置灵活性。

图1中的LVDS接口和隔离电路LI包括通过传输接口电路CL(即LVDS接口)跨板设置的第二隔离模块GL8和第一隔离模块ML5。第二隔离模块GL8对第一数字信号S5和第三数字信号S6进行了隔离，同时还对第二数字信号S9和第四数字信号S10进行了隔离，第一数字信号S5和第二数字信号S9采用差分走线方式，第三数字信号S6和第四数字信号S10采用差分走线方式。而第一隔离模块ML5对第三数字信号S6和第五数字信号S7进行了隔离，同时还对第四数字信号S10和第六数字信号S11进行了隔离，第五数字信号S7和第六数字信号S11采用差分走线方式。LVDS接口和隔离电路LI通过LVDS接口跨板传输，提高了信号长距离跨板传输的抗干扰能力。

采用本实用新型的跨板隔离电路，实现了系统的信号的跨板传输，能够：

(1)实现单一功能电路模块化设计，即对信号产生电路、隔离传输接口、功率放大电路及输出电压、电流信号回采进行模块化设计，以适配不同应用场景，如：具备单一功能的信号产生电路可以匹配其他类型的功率放大电路，反之亦然；

(2)突破空间设计限制，采用单一电路板卡实现所有系统所需的功能，电路板卡占用空间体积大，使得电路板卡的应用易受到空间的限制；若限制空间，则单一电路板卡能实现的相应功能、性能也会受到限制。对系统所需功能进行模块化拆分，设计多块电路板卡，再采用“搭积木”的方式对各功能电路板卡进行组合，实现系统所需的功能，可在有限空间内提高系统设计的可拓展性，使得系统的功能更加丰富、性能更加强大。即使在单一电路板卡和模块化多电路板卡实现同等功能、性能的条件下，模块化多电路板卡配置也比单一电路板卡更加灵活、节省空间。扩大了系统的应用范围，便于系统的灵活应用。

(3)节省维护成本。采用单一电路板卡实现信号发生、功率放大、输出滤波、信号回采等功能时，信号在不同功能电路间传输不需要进行信号隔离处理，因而当其中一部分电路发生故障、损坏，很可能一并损坏电路板卡内其他的电子器件及板卡线缆，因此单一电路板卡的可维修性差，整体更换单一电路板卡会提高系统的维护成本。这也是采用功能模块化，设计多块电路板卡，对各电路板进行跨板数据传输隔离的意义所在。

采用所述脉宽调制放大滤波及信号采集电路的数字功率放大系统的双重闭环控制过程为：CPU ML1通过对功放输出电压和电流进行精准采集和定量分析，再控制输出所需的S1信号幅度，实现系统的闭环控制，从而可降低功率放大器输出端发生过流、过载等故障的概率。采用所述脉宽调制放大滤波及信号采集电路的数字功率放大系统通过搭建信号采集及调理电路对功率放大器输出的电压、电流信号进行采集，经模/数转换芯片和高速数字差分接口将数字信号反馈给输入端，实现数据高可靠传输及数据定量反馈，动态调整功率放大器输入侧信号幅度，实现对输出信号的闭环控制。

采用所述脉宽调制放大滤波及信号采集电路的数字功率放大系统通过引入跨板隔离电路对输入信号进行转换处理，可提高数字功率放大器输入端信号传输抗干扰能力。所述数字功率放大系统还可通过搭建信号采集及调理电路对功率放大器输出的电压、电流信号进行采集，经模/数转换芯片和高速数字差分接口将数字信号反馈给输入端，实现数据高可靠传输及数据定量反馈，动态调整功率放大器输入侧信号幅度，实现对输出信号的闭环控制。

采用所述脉宽调制放大滤波及信号采集电路的数字功率放大系统可采用高度集成PWM硬件电路和开关放大电路的D类数字功率放大芯片电路，相比于现有的通过分立元件设计的D类功率放大电路，能够实现更高的电路集成度，节省电路板卡空间，提升了系统可靠性。利用本实用新型采用单端模拟信号转换为差分模拟信号并传输的方法，可提高长距离跨板模拟信号传输抗干扰能力，并实现板间信号隔离，提高了系统的可靠性、稳定性。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.脉宽调制放大滤波及信号采集电路，其特征在于，包括：

功率放大器芯片、LC低通滤波器(GL3)、电流传感器(GL4)、第三隔离变压器(GL5)、电流回采电路(I1)和输出电压回采电路(I2)，

其中，

所述功率放大器芯片、所述LC低通滤波器(GL3)、所述电流传感器(GL4)和所述第三隔离变压器(GL5)依次电连接；

所述LC低通滤波器(GL3)电连接所述第三隔离变压器(GL5)；

所述电流传感器(GL4)电连接所述电流回采电路(I1)；

所述第三隔离变压器(GL5)电连接所述输出电压回采电路(I2)。

2.根据权利要求1所述的脉宽调制放大滤波及信号采集电路，其特征在于，

还包括信号滤波电路(GL6)，

所述电流回采电路(I1)和输出电压回采电路(I2)均连接至所述信号滤波电路(GL6)。

3.根据权利要求2所述的脉宽调制放大滤波及信号采集电路，其特征在于，

所述信号滤波电路(GL6)连接A/D转换芯片(GL7)。

4.根据权利要求3所述的脉宽调制放大滤波及信号采集电路，其特征在于，

设置于功率放大器(GL)中，所述功率放大器(GL)为独立的硬件。

5.根据权利要求3所述的脉宽调制放大滤波及信号采集电路，其特征在于，

所述功率放大器芯片连接第二隔离变压器(GL1)。

6.根据权利要求4所述的脉宽调制放大滤波及信号采集电路，其特征在于，

所述功率放大器芯片连接跨板隔离电路。

7.根据权利要求6所述的脉宽调制放大滤波及信号采集电路，其特征在于，

所述跨板隔离电路为信号传输抗干扰和隔离电路(SL)。

8.根据权利要求7所述的脉宽调制放大滤波及信号采集电路，其特征在于，

所述信号传输抗干扰和隔离电路(SL)包括第一隔离变压器(ML4)、第二隔离变压器(GL1)和传输接口电路(CL)的第一部分，

所述第一隔离变压器(ML4)设置于模拟信号发生电路(ML)中，所述第二隔离变压器(GL1)设置于所述功率放大器(GL)中；

所述模拟信号发生电路(ML)、传输接口电路(CL)和功率放大器(GL)硬件上相互隔离独立。

9.根据权利要求1-8任一所述的脉宽调制放大滤波及信号采集电路，其特征在于，

所述功率放大器芯片为D类功率放大器芯片(GL2)。

10.根据权利要求1-8任一所述的脉宽调制放大滤波及信号采集电路，其特征在于，

所述第三隔离变压器(GL5)连接负载。

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