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周期信號(hào)鉗位的一種新方法及在PWM調(diào)制中的應(yīng)用

2011-07-05 08:41:28黃國(guó)勇呂華宇
關(guān)鍵詞:加法器鉗位電路仿真

黃國(guó)勇,呂華宇

(吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130012)

在實(shí)際應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)中,經(jīng)常需要產(chǎn)生上峰值或者下峰值電平固定的信號(hào)。如在DSPWM調(diào)制電路中,就需要產(chǎn)生上峰值為零和下峰值為零的三角波信號(hào),如果三角波信號(hào)的峰值定位不準(zhǔn)確,將帶來(lái)PWM信號(hào)的失真。而實(shí)現(xiàn)信號(hào)鉗位的經(jīng)典方法則是二極管鉗位電路,這種電路的工作原理是利用信號(hào)本身的能量經(jīng)二極管給電容充電,在電容上形成累積的直流電壓,此電壓與信號(hào)電壓串聯(lián)疊加,輸出下峰值(或上峰值)固定的信號(hào)。但在實(shí)際應(yīng)用中,二極管鉗位電路卻存在諸多問(wèn)題,如鉗位速度慢,鉗位精確度不高,調(diào)節(jié)不方便,輸出電路阻抗高等缺點(diǎn)。這些不足均限制了二極管鉗位電路的應(yīng)用。

1 運(yùn)放和比較器實(shí)現(xiàn)信號(hào)鉗位

鉗位后的的周期信號(hào)可以用下式表達(dá):

式中a為直流分量,bsin(ωt)為原信號(hào)。a為正值時(shí),實(shí)現(xiàn)下峰鉗位,a為負(fù)值時(shí)實(shí)現(xiàn)上峰鉗位,a和b的差值即為鉗位電平。當(dāng)|a|=|b|時(shí)為零點(diǎn)鉗位??梢?jiàn),周期信號(hào)鉗位的實(shí)質(zhì)是將所要鉗位的信號(hào)和一個(gè)直流信號(hào)相加。因此,在確知信號(hào)幅度和鉗位電平的情況下,可以用加法器配合精密參考電壓實(shí)現(xiàn),如圖2所示。

圖2 (a)加法器混合電路Adder mixing circuit

圖2 (b)減法器混合電路Subtraction clamp circuit

但在應(yīng)用中,信號(hào)的幅度值通常是不可預(yù)知的,因而就不能預(yù)設(shè)所需疊加的直流值。問(wèn)題轉(zhuǎn)化為怎樣產(chǎn)生快速跟蹤信號(hào)幅值變化的直流信號(hào)。

本文中,作者應(yīng)用比較器和加法器(或減法器)構(gòu)成反饋環(huán)路,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)幅度的跟蹤和峰值鎖定。反相加法器用于上峰值鉗位,減法器用于下峰值鉗位。如圖(3)和圖(4)所示。

圖3 加法器上峰值鉗位電路Fig.3 The peak clamp of adder mixing circuit

零時(shí)刻,Vout=Vin=0,Vin負(fù)半周來(lái)臨時(shí),經(jīng)運(yùn)放倒相,輸出體現(xiàn)為正半波,由于Vin幅值大于Vref,比較器將輸出一正脈沖,經(jīng)D1、R4給電容C充電,使Vc抬高,由于Vout=-Vin-Vc,Vout的峰值將被拉低,如果半周期內(nèi)Vout峰值仍然大于Vref,則在下一周期重復(fù)上述過(guò)程直至Vout的上峰值等于Vref,此時(shí)就實(shí)現(xiàn)了Vout的上峰值鉗位,也即實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)的鉗位。需要注意的是Vout中的信號(hào)成分和輸入信號(hào)是反相的,如需保持相位一致,可在信號(hào)輸入端加一節(jié)反相器。二極管D1的作用是為了防止C反向放電而形成Vc的大幅波動(dòng)。

根據(jù)上述原理,即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)鉗位,但由于R1、R2、R3的存在,C在充電的同時(shí)也在不斷放電,導(dǎo)致Vc在鉗位穩(wěn)定后處于微幅的波動(dòng)狀態(tài),這會(huì)給鉗位電平帶來(lái)一定的誤差。為了充分減小誤差應(yīng)在不影響加法器性能的前提下加大放電時(shí)間常數(shù),即在C不變的情況下,盡量增大R1~R3的值。根據(jù)仿真結(jié)果,建議取放電常數(shù)大于10倍信號(hào)周期。

電路中,由于比較器給出的是脈沖電壓,且幅度通常遠(yuǎn)高于輸入信號(hào)幅度,若R4×C的值過(guò)小,有可能形成過(guò)充,即Vc在信號(hào)第一周期就大于Vin幅度值的情況。因此,充電常數(shù)也應(yīng)充分大,不過(guò),擴(kuò)大充電常數(shù)將帶來(lái)鉗位時(shí)間的延長(zhǎng),好在反饋回路的存在會(huì)及時(shí)減小充電脈沖寬度,使這一問(wèn)題并不突出。根據(jù)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,R4的取值變化只對(duì)鉗位時(shí)間有顯著影響,對(duì)鉗位結(jié)果無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。建議取R4

由減法器和比較器構(gòu)成的下峰值鉗位電路的工作過(guò)程與此類似。

圖4 減法器下峰值鉗位電路Fig.4 The buttom of clamp of adder mixing circuit

2 仿真結(jié)果

對(duì)上峰鉗位電路和下峰鉗位電路仿真結(jié)果如下:

上峰鉗位取R1=R2=R3=10kΩ;R4=100Ω;

C=4.7μF;Vref=0v;加法器型號(hào)LF351D,比較型號(hào)LM311M,信號(hào)頻率為100kHz,幅度為1v。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 上峰鉗位電路仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results for the the peak clamp circuit

下峰鉗位取R1=R2=R3=R4=10kΩ;R5=100Ω;C=4.7μF;Vref=0v;加法器型號(hào)LF351D,比較器型號(hào)LM311M,信號(hào)頻率為100kHz,幅度為1v。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 下峰鉗位電路仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results for the the bottom clamp circuit

從仿真結(jié)果可以看出,本文提出的新的鉗位電路,鉗位時(shí)間約150~160μs,鉗位誤差在10mv以內(nèi),所以具有鉗位速度快,鉗位精確的特點(diǎn)。

3 DSPWM電路實(shí)際應(yīng)用

高精度鉗位電路有廣泛的應(yīng)用,如在DSPWM調(diào)制中,就需要上峰值和下峰值分別精確鉗位到零點(diǎn)的三角波信號(hào)。詳細(xì)原理請(qǐng)參照參考文獻(xiàn)[1][2]。本文給出的鉗位電路,三角波信號(hào)經(jīng)鉗位電路產(chǎn)生上峰值為零和下峰值為零的兩路信號(hào),分別與待調(diào)制正弦信號(hào)進(jìn)行比較,即可產(chǎn)生DSPWM信號(hào)。圖7給出了這種調(diào)制的原理。

圖7 DSPMW調(diào)制原理Fig.7 Modulation principle of DSPMW

在圖7的原理基礎(chǔ)上,我們?cè)O(shè)計(jì)了應(yīng)用電路,運(yùn)放選用LF351D,比較器選用LM311M,并取f=5kHz、Vp_p=2v的三角波信號(hào)對(duì)f=500Hz、Vp_p=3v的正弦波進(jìn)行PWM調(diào)制,仿真結(jié)果如圖(8)圖9所示。仿真結(jié)果顯示,輸出的DSPWM信號(hào)波形良好,且為分路輸出,可直接輸入橋式放大電路進(jìn)行功率放大。

DSPWM電路仿真結(jié)果:

圖8 正半周PWM波形Fig.8 The wave of positive half cycle of PWM

圖9 負(fù)半周PWM波形Fig.9 The wave of negative half-cycle of PWM

4 結(jié)論

本文所提出的周期信號(hào)鉗位電路,經(jīng)電路仿真和實(shí)際驗(yàn)證都能夠達(dá)到預(yù)期的效果。與傳統(tǒng)的二極管鉗位電路相比,具有鉗位速度快、精度高、帶載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。文中給出了利用該電路形成DSPWM的實(shí)例,仿真結(jié)果顯示該電路精確、可靠。

[1]周明磊,游小杰.低開關(guān)頻率下PWM調(diào)制方法研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,34(5):53-57.

[2]金科,阮新波,劉福鑫.改進(jìn)型零電壓開關(guān)PWM三電平直流變換器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)院,2005,25(4):32-37.

[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]方德政.電路電機(jī)技術(shù)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2005.

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