Yüksek performanslı bir darbe sinyali işleme devre modülü
Darbe sinyali bir tür ayrık sinyaldir.Güç elektroniği teknolojisinin uygulanmasında, programlanabilir cihazlar ve bazı donanım devreleri darbe sinyalleri üretebilir. Bunlar arasında, genellikle programlanabilir cihazlar tarafından üretilen darbe sinyali pozitif bir darbedir ve seviye göreceli olarak sabittir.Örneğin, DSP ve tek çipli mikrobilgisayar yalnızca maksimum 3,3 V ve 5 V genliğe sahip pozitif darbe sinyallerini işleyebilir. Darbe genişliği ve iletim gecikmesi yazılımla ayarlanabilir. Sınırlamalar vardır: Darbe üst ve alt kenar süresi, üretici cihazın özellikleri tarafından belirlenir. Darbe sinyalleri üreten donanım devreleri, V / F dönüştürme devresi, karşılaştırma amplifikatör devresi ve salınım devresini içerir.Bu devreler tarafından üretilen darbe sinyalleri, belirsiz pozitif ve negatif darbelerdir, seviye standart değildir ve darbe genişliği ve iletim gecikmesi sabittir. Darbe üst ve alt kenarları uzun bir süreye sahiptir ve kontrol edilemez. Darbe sinyalinin kalitesi, güç elektroniği uygulamasında çok önemli bir faktördür Darbe seviyesi, darbe genişliği ve darbe aktarım gecikmesi, bunların tümü pratik aralığını etkiler Darbe üst ve alt kenarının uzunluğu, verimliliğin önemli bir göstergesidir. Programlanabilir cihazlar ve genel donanım devreleri tarafından üretilen darbe sinyalleri, güç tüpünün çalışmasını kontrol etmek için doğrudan sürücü devresinde kullanıldığında, genellikle sürücü devresinde ve ana devrede, özellikle de yüksek frekanslı darbe sinyallerinde çok fazla parazite ve kayba neden olur. Bu nedenle, bu makale, programlanabilir cihazların ve sıradan darbe sinyali donanım devrelerinin aynı anda darbe sinyallerinin birden çok önemli göstergesini optimize edememesi ve darbenin yönünü, seviyesini, genişliğini, yukarı ve aşağı yönünü aynı anda kontrol etmek için tasarlanmış yüksek performanslı bir darbe işleme devre modülü önermesini amaçlamaktadır. Kenar süresi ve iletim gecikmesi, sürücü devresiyle alınan darbe sinyaliyle eşleşir.
Yurtiçi araştırma şu anda yüksek hızlı darbe sinyallerinin birden çok göstergesini aynı anda işlemek için bir devreye sahip değildir. Anahtar göstergelerin üst ve alt kenar süreleri özel olarak analiz edilir.Sıradan bir işlev oluşturucu tarafından üretilen 1 MHz darbe sinyalinin üst ve alt kenar süresi yaklaşık 80 ns'dir ve diğer geleneksel sinyal işleme devreleri 1 üretir MHz darbe sinyalinin yükselen ve düşen kenar süresi yaklaşık 60 ns'dir. Teorik analiz ve geliştirme tecrübesi, bu tür yüksek performanslı darbe sinyal işleme devrelerinin tasarım ve imalatının zor olduğunu göstermektedir.Devre prensibi tasarımından bileşen seçimine, bileşen yerleşimi ve kablolama işlemi tasarımına, doğrusal yüksek frekanslı elektronik devre tasarım yöntemlerine ihtiyaç vardır. Ve üretim süreci, aksi takdirde başarı olasılığı çok azdır. Güç bütünlüğü ve elektromanyetik uyumluluk ile birlikte EDA simülasyonu ve deneysel testler yoluyla yüksek performanslı darbe sinyali işleme devre modüllerine ulaşılması ve 1 MHz'e kadar frekansa sahip yüksek hızlı darbe sinyallerinin işlenmesi planlanmaktadır.Standart olmayan seviyeler standart seviyelere dönüştürülür ve darbe genişliği% 40 ila % 60 ayarlanabilir, üst ve alt kenar süresi 30 ns içinde kontrol edilir ve gecikme 80 ns'ye kadardır, bu da anti-parazit yeteneğini geliştirir. Devre, pratik darbe sinyalleri aralığını genişletebilen ve esnekliği geliştirebilen yukarıdaki göstergelere ulaşır Yüksek kaliteli darbe sinyalleri, tahrik devresinin güvenilirliğini ve zamanındalığını iyileştirir, böylece güç tüpünün anahtarlama verimliliğini artırır ve ana devrenin verimliliğini büyük ölçüde geliştirir.
1 Yüksek performanslı darbe işleme devresi tasarımı
Devrenin genel yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Devre, seviye dönüştürme ve darbe genişliği ayarlama devresi, darbe ileri doğrultma ve üst ve alt kenar süresi kontrol devresi, darbe sinyali iletim gecikme ayarı ve parazit önleme devresi ve toplam dört güç kaynağı devresinden oluşur. Birim devre bileşimi. Yüksek performanslı darbe devresinin şematik diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir.
Şekil 2 (a) 'da gösterildiği gibi, işlenecek darbe sinyali uin'dir ve potansiyometre RW1 ve direnç R1 basit bir gerilim bölücü devresi oluşturur Darbe sinyal geriliminin ön ayarlaması RW1 direncinin ayarlanmasıyla sağlanır.
R2 ve RW2 seri olarak bağlanır ve işlemsel yükselticinin ters çevirici giriş terminalinin voltaj değeri, RW2 ayarlanarak değiştirilir ve daha sonra, darbe sinyalinin darbe genişliğinin ayarını gerçekleştirmek için işlemsel yükselticinin ters çevirmeyen terminali tarafından üretilen diferansiyel sinyal ile karşılaştırılır.Aynı zamanda, işlemsel yükseltici U1'in güç kaynağı voltajı ayarlanabilir. Darbe sinyali voltajının daha fazla ayarlanmasını sağlayın. 1 MHz ve üzeri darbe sinyallerinin işleme gereksinimlerini karşılamak için, işlemsel yükselticinin U1 kazanç bant genişliği ürünü bir anahtar parametredir.
Bunların arasında, kapasitör C1, potansiyometre RW2, dirençler R2, R3 ve işlemsel yükseltici U1, yüksek hızlı ayarlanabilir karşılaştırmalı diferansiyel devre oluşturur. C2 ve C3 kapasitörleri, yüksek frekanslı sinyalleri işlerken kararlı ve güvenilir olan işlemsel yükseltici U1'in güç bütünlüğünü sağlamak için bir dekuplaj filtresi işlevi görür. .
Darbe ileri doğrultma ve üst ve alt kenar süresi kontrol devresinin çalışma prensibi Şekil 3'te gösterilmektedir. İşlemsel yükseltici U1 bir negatif darbe çıkardığında, D1 diyotu ileri iletkendir, D1 diyotunun katot voltajı 0 V'a yakındır ve D2 ve D3 diyotları iletken değildir.R5 direnci analog toprağa bağlı olduğu için, direnç R5'in çıkışı ve D2 ve D3 diyotlarının katodu 0 V; işlemsel yükseltici U1 bir ileri darbe çıkardığında, D1 diyotu iletilmez, D1 diyotunun katot voltajı ileri darbe genliğine yakındır, D2 ve D3 diyotları iletir ve R5 direncinin çıkışı ve D2 ve D3 diyotlarının katotları pozitif darbeye yakındır. Genlik voltajı; aynı anda açıldığında çıkış darbesinin düşük seviyeden yüksek seviyeye değişmesi için gereken sürenin artmasını önlemek için D1'in anahtarlama hızının D2 ve D3'ten daha düşük olmasını kontrol edin.D2 ve D3'ün anahtarlama hızını artırarak, darbe sinyali etkili bir şekilde azaltılabilir. Yükselen kenar süresi; bu nedenle, D1, D2 ve D3 diyotlarının anahtarlama hızının seçimi özellikle önemlidir.Seçim uygun olduğunda, çıkış darbe sinyalinin üst ve alt kenarlarının gecikme süresi 30 ns içinde kontrol edilebilir.
Darbe sinyali iletim gecikme ayarı ve parazit önleme devresi Şekil 2 (b) 'de gösterilmektedir. Schmitt tetikleyici A, sadece darbe sinyalindeki küçük genlik girişimini bloke etmekle kalmayıp, aynı zamanda darbe sinyalinin düşen kenar süresini daha da kısaltmak için darbe sinyalini yeniden şekillendiren genlik ayrımı işlevine sahiptir. Kapasitör, sinyaldeki yüksek frekanslı dağınıklığı filtreleyebilen ve darbe sinyalinin anti-parazit performansını iyileştirebilen bir filtreleme işlevine sahiptir.Aynı zamanda, C8, C9, C10 ve C11 kapasitörlerinin şarj gecikme özelliklerini, Schmitt tetik gecikme özellikleriyle birlikte kullanır Darbe sinyalinin hafif gecikmesi için iletim süresini ayarlayın ve diğer sinyallerle birlikte kullanıldığında koordinasyon yeteneğini geliştirin.
Güçlendirilmiş güç kaynağı devresi S, Şekil 2 (c) 'de gösterilmiştir. Analog zemin ve dijital toprak, manyetik boncuklarla köprülenir ve manyetik boncukların yüksek frekans empedansı, analog zemin ile dijital toprak arasındaki paraziti etkin bir şekilde engellemek ve aynı zamanda güç kaynağı terminalinin parazitini azaltmak için kullanılır, böylece devre yüksek frekans altında çalışırken kararlı ve güvenilirdir. .
2 Devre simülasyonu ve deneysel test
2.1 LTspice devre simülasyonu
LTspice, uygun maliyetli, açık kaynaklı bir EDA yazılımıdır. Bu makale, tüm devre üzerinde temel deneyler yapmak için onu kullanır. Simülasyon devresi, yüksek performanslı darbe işleme devresinin şematik diyagramı ile tutarlıdır.Giriş darbe sinyali uin, frekans 1 MHz, tepeden tepeye değer 24 V, üst ve alt kenar süresi 100 ns ve pozitif görev oranı yaklaşık% 50'dir. Giriş darbe sinyali Şekil 4'te gösterilmektedir.
Devre giriş darbe sinyali uin, voltaj bölücü devresinden geçtikten sonra yüksek hızlı ayarlanabilir karşılaştırma diferansiyel devresine girer. Yüksek hızlı ayarlanabilir karşılaştırma diferansiyel devresinin giriş sinyali Şekil 5'te gösterilmektedir, burada u +, işlemsel yükselticinin ters çevirmeyen ucunun giriş sinyalidir ve u-, işlemsel yükselticinin ters çevirme ucunun giriş sinyalidir. Ters çevirmeyen sinyal u +, kapasitör C1 ve direnç R3 tarafından kontrol edilir. Ters çevirme terminal sinyali u-, direnç R2 ve potansiyometre RW2 tarafından kontrol edilen voltaj karşılaştırma noktasıdır.RW2'yi ayarlayarak, voltaj karşılaştırma noktası gerçek zamanlı olarak değiştirilir, böylece işlemsel yükseltici çıkış darbesinin darbe genişliği değiştirilir. Yüksek hızlı ayarlanabilir karşılaştırma diferansiyel devresinin çıkış sinyali, Şekil 6'da u1 olarak gösterilmektedir, giriş darbe sinyali uin ile karşılaştırıldığında, darbe sinyali ul'in pozitif görev oranı önemli ölçüde azalmıştır.
Darbe ileri doğrultma ve üst ve alt kenar zaman kontrol çıkış sinyalleri Şekil 6 uo1'de gösterilmiştir.Simülasyon devresindeki cihazlar ideal cihazlar olduğundan, D1, D2 ve D3'ün anahtarlama hızı, simülasyon dalga formundan darbe sinyalinin üst ve alt kenar gecikmesini kontrol edemez. Sunumda, simülasyon esas olarak giriş darbe sinyalinin düzeltilmesini yansıtır.
Darbe sinyali iletim gecikme ayarı ve anti-parazit devresinin simülasyon dalga formu diyagramı Şekil 6 uo2'de gösterilmektedir. Uo1 ile karşılaştırıldığında, uo2 fazının geri kaydırıldığı açıktır. İkisi arasındaki gecikme yaklaşık 100 ns, dalga formu temiz ve parazit önleme yeteneği geliştirildi. , Sinyal iletim gecikme ayarını gerçekleştirin ve paraziti bastırın.
2.2 Devreler ve test sonuçları
Yüksek performanslı darbe işleme devre modülü Şekil 7'de gösterilmektedir. PCB, yüksek performanslı darbe işleme devresi baskılı devre kartının düzeni ve kablolaması için 0,6 GHz frekanslı yüksek frekanslı doğrusal devre tasarım yöntemine göre tasarlanmış ve üretilmiştir; baskılı devre kartı, yüksek hızlı sinyallere dayanmaktadır. Bütünlük ve güç bütünlüğü için yerleşim ve yönlendirme yöntemleri, yerleşim ve yönlendirme için kullanılır, analog zemin ve dijital toprağı etkili bir şekilde bölmek ve köprülemek için kullanılır.4 katmanlı baskılı devre kartı, baskılı devre kartı üzerindeki dağıtılmış endüktansı ve dağıtılmış kapasitansı etkili bir şekilde azaltır. Oluşturulan iletim gecikmesi, darbe üst ve alt kenar süresi, aynı anda yüksek genlikli zayıflatılmış salınım ve yüksek frekanslı radyasyon paraziti sorununu çözer, modüldeki bileşenler kompakt bir şekilde düzenlenmiştir ve modül boyutu sadece 50 mm × 50 mm'dir.
Tasarlanan devre üzerinde performans testi gerçekleştirin Kullanılan cihazlar şunları içerir: YB1731A DC regüle güç kaynağı, DF1641A fonksiyon üreteci, UTD7102B osiloskop ve MT-1280 dijital multimetre.
1 MHz frekansı, tepeden tepeye değeri 24 V, üst ve alt kenarlar arasında yaklaşık 80 ns gecikme ve yaklaşık% 50 pozitif görev döngüsüne sahip bir darbe sinyali uin üretmek için bir işlev üreteci kullanın. Giriş darbe sinyali önce seviye dönüştürme ve darbe genişliği ayarlama devresinden geçer ve ardından darbeli ileri doğrultucu devresinden geçer Test sonucu Şekil 8'de gösterilmiştir. Şekil 8'deki osiloskobun CH1 kanalı, 1 MHz frekansı, 10 V tepeden tepeye değeri, yaklaşık 80 ns gecikme süresi ve% 50,5 pozitif görev oranı ile seviye dönüşümünden sonra bir darbe sinyalidir. Şekil 8'deki osiloskobun CH2 kanalı, darbe genişliği ayarlaması ve düzeltmesinden sonraki darbe sinyalidir.Nabız sinyalinin darbe genişliği, karşılaştırma diferansiyel devresinin karşılaştırma noktasını değiştirmek için potansiyometre RW2'yi ayarlayarak gerçek zamanlı olarak ayarlanabilir.Şekil 8 (a), (b) 'de, (c) CH2 kanal ölçümü, görev döngüsünün% 28,6,% 50,% 53,1 olduğunu gösterir; işlemsel yükselticinin güç kaynağı voltajı artı veya eksi 5 V, pozitif düzeltmeden sonra darbe sinyali voltajı 0 ile 5 V arasında kontrol edilir ve frekans korunur 1 MHz değişmez. Pratik uygulamalarda, kapasitör C1, dirençler R2, R3 ve potansiyometre Rw2, darbe sinyalinin darbe genişliğinin ayarlanabilir aralığını kontrol etmek için gerektiği gibi değiştirilebilir ve maksimum çıkış darbe voltajını kontrol etmek için uygun operasyonel amplifikatör ve güç kaynağı voltajı seçilebilir.
Üst ve alt kenar geciktirme kontrol devresi sayesinde üst ve alt kenar gecikmesinin kontrolü gerçekleştirilir ve test sonucu Şekil 9'da gösterilir. Giriş darbe sinyali CH1'in üst ve alt kenarları 84 ns geciktirilir ve çıkış darbe sinyali CH2, 23 ns'lik bir yükselme süresine, 56 ns'lik bir düşüş süresine ve 1 MHz'lik bir frekansa sahiptir. Doğrudan ölçüm dalga biçiminden, darbe sinyalinin üst ve alt kenarlarının dikliğinin açıkça arttığı ve üst ve alt kenarların süresinin kısaldığı görülebilir. Simülasyonla karşılaştırıldığında, D1, D2 ve D3 anahtarlama hızının devrenin üst ve alt kenar zamanı üzerindeki etkisini nesnel olarak yansıtır.
Darbe sinyali iletim gecikme ayarı ve parazit önleme devresi sayesinde, giriş sinyali ve çıkış sinyali iletim gecikmesi ayarlanabilir ve düşen kenar gecikmesi daha da kısaltılır Test sonucu Şekil 10'da gösterilmiştir. Düşen kenar süresi daha da 13 ns'ye düşer ve giriş darbe sinyali ve çıkış darbe sinyali T'nin gecikme ölçümü 110 ns'dir Şarj süresi, Schmitt tetikleyicisinin kendi gecikmesi ve C4, C5, C6 ve C7 kapasitörlerinin kapasitans değeri ile değiştirilir. İletim gecikme süresi kontrol edilebilir ve kapasitörlerin varlığı da yüksek frekanslı paraziti bastırabilir.
Tablo 1, giriş darbe sinyali ile çıkış darbe sinyalinin ana performans göstergelerinin karşılaştırmasını göstermektedir. Giriş darbe sinyal frekansı 1 MHz, tepeden tepeye değer 24 V, üst ve alt kenar süresi 80 ns ve pozitif görev döngüsü sabit% 50'dir. Yukarıdaki devreden geçtikten sonra, çıkış darbe sinyali yüksek hızı korur, frekans 1 MHz'de değişmez ve voltaj standart elektriğe dönüştürülür. Düz zirvenin tepe değeri 4,5 V, darbe genişliği% 20 ila% 60 arasında ayarlanabilir, üst ve alt kenar süresi büyük ölçüde azaltılır, yükselen kenar süresi 23 ns'dir, düşen kenar süresi 13 ns'dir ve iletim gecikmesi, giriş sinyalinden 110 ns'lik bir fark elde edecek şekilde ayarlanır.
3 Sonuç
Bu makale, darbe sinyali yön kontrolü, seviye dönüştürme, darbe genişliği ayarı, iletim gecikme ayarı ve üst ve alt kenar zaman kontrol işlevlerini bir arada birleştiren yüksek performanslı bir darbe sinyali işleme devresi tasarlar. Devre prensibinin doğruluğu EDA simülasyon yazılımı ile doğrulanır ve devre modülünün güvenilirliği gerçek üretim ve ölçüm ile doğrulanır. Beklenen tasarım endeksi ile karşılaştırıldığında, ölçülen endeks büyük ölçüde iyileştirilmiştir. 1 MHz yüksek hızlı darbe sinyalinin darbe genişliği ayarlama aralığı% 20 ila% 60'tır ve üst ve alt kenar süresi 25 ns içinde kontrol edilir ve düşen kenar süresi 13 ns'ye kadar düşüktür. Gecikme 20 ns'den 110 ns'ye kadardır. Güç elektroniği uygulamasında, yukarıdaki indeksin darbe sinyali, parazit önleme yeteneğini geliştiren, çeşitli güç tüpü sürücü devrelerini etkili bir şekilde eşleştiren ve sürücü devresinin ve ana devrenin güvenilirliğini ve verimliliğini artıran çok yüksek kaliteli bir darbe sinyalidir. Modül, aynı zamanda, sürücü devresinin ve ana devrenin devre yapısını büyük ölçüde optimize eden yüksek frekanslı darbe sinyallerini destekler. Bu devrenin darbe genişliği ayarlama aralığının daha da iyileştirilmesi gerekir Schmitt tetikleyicisinin zaman gecikmesi, sinyalin 20 ns'lik bir gecikmeye sahip olmasına neden olur. 2 MHz sinyal için devre performans endeksi 1 MHz kadar iyi değil, ancak yine de büyük ölçüde geliştirildi.Yer sınırlamaları nedeniyle ayrıntılı olarak gösterilmemiştir. Devre modülünün darbe sinyali işleme yeteneği, iyileştirme için çok fazla alana sahiptir.Şarj akımını artırmak ve elektrotlar arasında daha büyük bir kapasitansa sahip bir diyot seçmek, yükselen kenar süresini daha da kısaltabilir ve devre verimliliğini artırabilir; ayna ileri doğrultucu devresi, darbe sinyalini negatife düzeltebilir Darbe; daha sofistike operasyonel amplifikatörlerin ve gelişmiş devre üretim teknolojisinin kullanılması, darbe sinyal frekansını 5 MHz'e çıkarabilir ve devrenin genel tasarımını optimize edebilir; deneme aralığı, güç elektroniği darbe sinyallerinin işlenmesiyle sınırlı değildir, ancak sensör darbe sinyallerini de kapsayacak şekilde genişletilebilir. İşleme kapsamı.
Referanslar
Zhao Qinglin, Guo Juanwei, Yuan Jing ve diğerleri.MOSFET rezonans kapısı sürücü devresi araştırmasına genel bakış.Elektrik Güç Otomasyon Ekipmanı, 2018, 38 (10): 66-73, 107.
LIU Y F, ZHANG Z, FU J, ve diğerleri.Yüksek frekanslı güçlü MOSFET'ler için süreksiz akım kaynağı sürücüleri. Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2010, 25 (7): 1863-1876.
Liu Jiaomin, Li Jianwen, Cui Yulong, vb. Yüksek frekanslı rezonant invertör için güç MOS tüp sürücü devresi Journal of Electrotechnical Technology, 2011, 26 (5): 113-118.
Zhao Qinglin, Chen Lei, Yuan Jing, vb. GaN cihazları için uygun bir rezonant sürücü devresi Elektrik Enerjisi Otomasyon Ekipmanı, 2019, 39 (4): 114-118.
Fan Xinxin, Yang Lianying, Chen Xiuguo ve diğerleri.Güç alanı etkili transistörlerde rastgele telgraf sinyal gürültüsünün tespiti ve analizi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (8): 44-46.
Yang Mengwei, Tian Fan, Shan Changhong. Değişken faz akümülatörüne dayalı tamamen dijital, faz kilitli bir döngü. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2019, 45 (8): 71-74.
Yan Shi. Dijital Elektronik Teknolojisinin Temelleri. Beijing: Higher Education Press, 2006.
Li Yufeng. Yüksek hızlı PCB güç bütünlüğü üzerine araştırma. Pekin: Pekin Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, 2012.
Eric Bogatin. Sinyal bütünlüğü analizi Pekin: Elektronik Endüstrisi Yayınevi, 2005.
Yamazaki Hiroro. Elektronik devrelerin anti-parazit teknolojisi. Beijing: Science Press, 1989.
Dong Feiju, Shao Ruping, Wang Da. LLC dönüştürücünün çift döngü kontrolüne dayalı performans optimizasyonu. Application of Electronic Technology, 2018, 44 (11): 154-157, 164.
Wu Songle, RC Devre Uygulaması. Modern Elektronik Teknolojisi, 2004, 27 (14): 99-101.
Chen Siyuan, Chen Xiaozhen, Aktif Diferansiyel Devre Tasarımı Elektronik Cihazlar, 2003, 26 (2): 155-158.
KRAMPIT M A, KRAMPIT Y N. ltspice iv programında kaynak için güç kaynaklarının elektronik devre tasarımı.Applied Mechanics and Materials, 2015, 4025.
Harbin Teknoloji Enstitüsü. LTSPICE yazılımına dayalı MOSFET SPICE modeli oluşturma yöntemi: CN201811015010.7
.2019-01-11.
MONTROSE M. Elektromanyetik Uyumlu Baskılı Devre Kartı Tasarımı Beijing: Higher Education Press, 2008.
yazar bilgileri:
Xie Heling, Jin Jianhui, Xie Jiaming, Wan Zhou
(Bilgi Mühendisliği ve Otomasyon Okulu, Kunming Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Kunming, Yunnan 650504)
