一種大功率任意波發(fā)生裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大功率任意波發(fā)生裝置及方法，采用DDS技術(shù)實現(xiàn)高精度程控功能，在利用FPGA實現(xiàn)DDS的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了任意波形發(fā)生功能。滿足了寬禁帶半導(dǎo)體功率器件測試不僅要求功率大、精度高，而且要求輸出范圍寬，波形可任意程控等功能指標(biāo)，而且達到了極高的輸出精度和靈活的輸出波形控制，可滿足寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的多種復(fù)雜測試需求，最終有效保證了寬禁帶半導(dǎo)體功率器件在高電壓、大電流、大功率以及任意波形條件下的測試需求。通過實際測試，取得了比較理想的結(jié)果，完全符合發(fā)明設(shè)計要求。
【專利說明】一種大功率任意波發(fā)生裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及任意波發(fā)生領(lǐng)域，具體是一種大功率任意波發(fā)生裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]由于Si功率器件受其發(fā)展的極限，尤其在高頻、高溫及高功率領(lǐng)域更顯示出其局限性，因此開發(fā)研制寬禁帶半導(dǎo)體器件已越來越被人們所關(guān)注。所謂寬禁帶半導(dǎo)體(WBG)主要是指禁帶寬度大于2.2電子伏特的半導(dǎo)體材料，包括SiC、GaN以及其他一些化合物半導(dǎo)體材料。這些材料一般均具有較寬的禁帶、高的擊穿電場、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率，因此他們比Si及GaAs更適合于制作高溫、高頻及高功率器件。由此，寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的工作特性及功率測試就顯得尤為重要，勢必需要產(chǎn)生一系列高精度大功率任意波對其進行性能指標(biāo)測試。
[0003]目前，產(chǎn)生任意波形的方法有多種:標(biāo)準(zhǔn)波形庫、圖像編輯、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)表修改、FFT編輯器、公式編輯器等。它們都是以D/A變換器為核心的，由時鐘電路、存儲器電路、控制邏輯、濾波放大器等環(huán)節(jié)組成的，將具有幅度量化特征和時間抽樣特點的離散數(shù)據(jù)組按順序發(fā)出，生成模擬信號波形的一種數(shù)字化模擬信號發(fā)生裝置；其技術(shù)內(nèi)涵和實質(zhì)是使用離散的數(shù)字化方式產(chǎn)生連續(xù)的模擬信號波形；用有限個量值狀態(tài)及其階躍過渡過程描述具有無限個量值狀態(tài)的信號波形。這些任意波發(fā)生器均適用于小功率信號層面，對于寬禁帶功率半導(dǎo)體器件所需要的大功率任意波形發(fā)生技術(shù)卻少有記錄，而基于DDS(直接數(shù)字合成)技術(shù)的高精度大功率任意波形發(fā)生技術(shù)更是無從查找。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種大功率任意波發(fā)生裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種大功率任意波發(fā)生裝置,其特征在于:包括DSP控制系統(tǒng)、接入任意波形發(fā)生器、正弦脈寬調(diào)制電路、AC/DC、DC/AC、高頻濾波電路、反饋取樣電路、A/D轉(zhuǎn)換器、誤差放大電路，所述AC/DC輸出端與DC/AC輸入端連接，DC/AC輸出端與高頻濾波電路輸入端連接，高頻濾波電路輸出端輸出交流信號，高頻濾波電路輸出端還與反饋取樣電路輸入端連接，反饋取樣電路輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換器與DSP控制系統(tǒng)連接，所述任意波形發(fā)生器輸入端接入DSP控制系統(tǒng)，任意波形發(fā)生器輸出端接入誤差放大電路一個輸入端，反饋取樣電路輸出端接入誤差放大電路另一個輸入端，誤差放大電路輸出端與正弦脈寬調(diào)制電路輸入端連接，正弦脈寬調(diào)制電路輸出端與DC/AC電路輸入端連接；
[0007]所述任意波形發(fā)生器包括相位累加器、波形存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器，其中相位累加器輸入端與DSP控制系統(tǒng)連接，相位累加器輸出端與波形存儲器輸入端連接，波形存儲器輸出端與D/A轉(zhuǎn)換器輸入端連接，D/A轉(zhuǎn)換器輸出端與低通濾波器輸入端連接，低通濾波器輸出端與誤差放大電路輸入端連接。
[0008]所述的一種大功率任意波發(fā)生方法，其特征在于:采用DDS方案，利用FPGA技術(shù)從相位角度出發(fā)來實現(xiàn)頻率合成，將一系列數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號的合成技術(shù)，根據(jù)采樣定理，通過查表法產(chǎn)生任意波形，實現(xiàn)任意波形發(fā)生器功能。再以任意波形發(fā)生器的輸出為參考基準(zhǔn)進行正弦脈寬調(diào)制，基于等效面積原理，生成所需波形的等效PWM波，然后通過控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，獲得恒幅值的高頻調(diào)制波形，經(jīng)高頻濾波后，得到需要的輸出波形，完成信號的功率放大。這樣，利用任意波形發(fā)生器，改變調(diào)制信號的頻率和幅度，可實現(xiàn)輸出的精確調(diào)節(jié)。
[0009]本發(fā)明在寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的功率特性測試中，采用了一種獨特的大功率任意波形發(fā)生技術(shù)，即基于DDS技術(shù)的高精度大功率任意波形發(fā)生技術(shù)，該技術(shù)構(gòu)思巧妙，電路可靠實用。基本思路如下:采用DDS方案，利用FPGA技術(shù)從相位角度出發(fā)來實現(xiàn)頻率合成，將一系列數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號的合成技術(shù)，根據(jù)采樣定理，通過查表法產(chǎn)生任意波形；再以任意波形發(fā)生器的輸出為參考基準(zhǔn)進行正弦脈寬調(diào)制，基于等效面積原理，生成所需波形的等效PWM波，然后通過控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，獲得恒幅值的高頻調(diào)制波形，經(jīng)高頻濾波后，得到需要的輸出波形，完成信號的功率放大。這樣，利用任意波形發(fā)生器，改變調(diào)制信號的頻率和幅度，可實現(xiàn)輸出的精確調(diào)節(jié)。
[0010]這種控制的特點是:采用了 DDS(直接數(shù)字合成)技術(shù)設(shè)計任意波形發(fā)生器，使輸出具有極高的頻率分辨率和快速輸出轉(zhuǎn)換能力，同時，使用FPGA器件設(shè)計DDS通道，可以實現(xiàn)信號波形的多樣化，而且方便可靠，簡單經(jīng)濟，系統(tǒng)易于擴展。由于DDS系統(tǒng)主要由數(shù)字電路組成，因此采用FPGA芯片設(shè)計所有數(shù)字電路。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:采用先進的DDS技術(shù)，具有輸出精度高、波形輸出靈活等特性，利用EDA設(shè)計方法，將實現(xiàn)任意波形的DDS核心部分集成在FPGA芯片內(nèi)，大大簡化了電路，降低了成本，提高了可靠性。采用正弦調(diào)制，實現(xiàn)了輸出功率大、諧波含量低等功能。從而較好地實現(xiàn)了寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的功率特性測試對高精度大功率任意波形的需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理框圖。
[0013]圖2為本發(fā)明任意波形發(fā)生器電路原理框圖。
[0014]圖3為本發(fā)明幅度調(diào)節(jié)電路原理框圖。
[0015]圖4為本發(fā)明跟蹤法SPWM信號生成電路原理框圖。
[0016]圖5為本發(fā)明陷波器電路圖。
[0017]圖6為本發(fā)明【具體實施方式】中正弦電壓輸出波形圖，其中:
[0018]圖6a為50Hzl00V輸出波形圖，圖6b為IkHzlOOV輸出波形圖。
[0019]圖7為本發(fā)明【具體實施方式】中動態(tài)變化時波形圖，其中:
[0020]圖7a為幅度、頻率遞增變化輸出電壓波形圖，圖7b為幅度、頻率交替變化輸出電壓波形圖。
[0021]圖8為本發(fā)明【具體實施方式】中正弦波疊加諧波后輸出電壓波形圖。

【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，一種大功率任意波發(fā)生裝置，包括DSP控制系統(tǒng)、接入任意波形發(fā)生器、正弦脈寬調(diào)制電路、AC/DC、DC/AC、高頻濾波電路、反饋取樣電路、A/D轉(zhuǎn)換器、誤差放大電路，所述AC/DC輸出端與DC/AC輸入端連接，DC/AC輸出端與高頻濾波電路輸入端連接，高頻濾波電路輸出端輸出交流信號，高頻濾波電路輸出端還與反饋取樣電路輸入端連接，反饋取樣電路輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換器與DSP控制系統(tǒng)連接，所述任意波形發(fā)生器輸入端接入DSP控制系統(tǒng)，任意波形發(fā)生器輸出端接入誤差放大電路的一個輸入端，反饋取樣電路還有輸出端接入誤差放大電路另一個輸入端，誤差放大電路輸出端與正弦脈寬調(diào)制電路一個輸入端連接，正弦脈寬調(diào)制電路輸出端與DC/AC電路輸入端連接；
[0023]如圖2所示，任意波形發(fā)生器包括相位累加器、波形存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器，其中相位累加器輸入端與DSP控制系統(tǒng)連接，相位累加器輸出端與波形存儲器輸入端連接，波形存儲器輸出端與D/A轉(zhuǎn)換器一個輸入端連接,D/A轉(zhuǎn)換器另一個輸入端與DSP控制系統(tǒng)連接，D/A轉(zhuǎn)換器輸出端與低通濾波器輸入端連接，低通濾波器輸出端與誤差放大電路輸入端連接。
[0024]一種大功率任意波發(fā)生方法，采用DDS方案，利用FPGA技術(shù)從相位角度出發(fā)來實現(xiàn)頻率合成，將一系列數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號的合成技術(shù)，根據(jù)采樣定理，通過查表法產(chǎn)生任意波形，實現(xiàn)任意波形發(fā)生器功能。再以任意波形發(fā)生器的輸出為參考基準(zhǔn)，進行正弦脈寬調(diào)制，基于等效面積原理，生成所需波形的等效PWM波，然后通過控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，獲得恒幅值的高頻調(diào)制波形，經(jīng)高頻濾波后，得到需要的輸出波形，完成信號的功率放大。這樣，利用任意波形發(fā)生器，改變調(diào)制信號的頻率和幅度，可實現(xiàn)輸出的精確調(diào)節(jié)。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明包括任意波形發(fā)生器、DSP控制系統(tǒng)、人機交互界面、信號功率放大電路等部分。由于輸出功率較大，為減小體積、提高效率，功率放大電路采用開關(guān)方式，主要由AC/DC、DC/AC、高頻濾波、正弦脈寬調(diào)制、反饋取樣、誤差放大等電路組成。為提高電壓輸出精度，電路結(jié)構(gòu)上選用高頻鏈形式。采用兩級變換，考慮到輸出電壓和功率的設(shè)計要求，前后級均采用全橋拓?fù)?。前級AC/DC使用高頻變壓器進行輸入與輸出的電氣隔離，取消了低頻逆變技術(shù)中體積龐大的工頻變壓器，可大幅提高效率及功率密度，同時，控制電路取樣輸出電壓進行閉環(huán)控制，可得到穩(wěn)定的直流輸出，有效消除了輸入電壓及負(fù)載變動造成的輸出調(diào)整問題，極大的提高了電壓的輸出精度。后級DC/AC采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)，以任意波形發(fā)生器的輸出為參考基準(zhǔn)，基于等效面積原理，生成所需波形的等效PWM波。通過控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，獲得恒幅值的高頻調(diào)制波形，經(jīng)高頻濾波后，得到需要的輸出波形，完成信號的功率放大。這樣，利用任意波形發(fā)生器，改變調(diào)制信號的頻率、幅度和相位，可實現(xiàn)輸出的精確調(diào)節(jié)。
[0026]DSP控制系統(tǒng)通過通用異步收發(fā)電路(UART)實現(xiàn)人機交互界面功能。DSP系統(tǒng)接收GPIB接口或鍵盤的指令，將幅值、頻率、相位等信息處理后，送入任意波形發(fā)生器，生成參考信號，作為基準(zhǔn)電壓，與反饋取樣信號進行誤差放大，經(jīng)正弦脈寬調(diào)制電路，生成SPWM信號，控制波形輸出，完成信號的功率放大。而實際輸出的幅值、頻率、相位等參數(shù)由反饋取樣電路標(biāo)定后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由DSP系統(tǒng)回送人機交互界面，實現(xiàn)信息實時顯示。
[0027]—、任意波形發(fā)生器設(shè)計:
[0028]如圖2所示，任意波形發(fā)生器采用DDS方式設(shè)計，其主通道由以下幾個部分組成，第一部分是頻率控制字k的接收電路，由DSP送來的32位頻率控制字經(jīng)鎖存器送到相位累加器。第二部分是相位初始控制字A的接收電路，其原理和頻率控制字k的接收電路相同。第三部分是相位累加器電路，這是整個DDS電路的核心，它的精度和速度影響整個通道的性能。相位累加器接收DSP發(fā)送的32位頻率控制字k，相位初始控制字A，在時鐘脈沖的作用下，以相位初始控制字A為起點，連續(xù)進行k值相加，生成有規(guī)律的32位相位地址碼，輸出鎖存器把每個相位地址碼鎖存，取其中高18位尋址波形存儲器。在相位舍位條件下，由于相位累加器的輸出為周期序列，易產(chǎn)生有規(guī)律的雜散噪聲。為此，采用抖動注入技術(shù)，用14位的隨機數(shù)與要舍去的低14位相加后，再去尋址波形存儲器，這樣就破壞了尋址序列的周期性，將有規(guī)律雜散分量變成隨機的相位噪聲，從而有效消除相位舍位引起的雜散噪聲。第四部分是幅度控制字U的接受、D/A轉(zhuǎn)換和濾波電路。DSP將12位的幅度控制字U送入相應(yīng)鎖存器，與波形存儲器中的數(shù)據(jù)一起送入D/A，經(jīng)低通濾波器得到所需模擬信號。
[0029]由于DDS系統(tǒng)主要由數(shù)字電路組成，因此采用FPGA芯片設(shè)計所有數(shù)字電路。設(shè)計中采用SCH電原理圖和VHDL硬件描述語言相結(jié)合來實現(xiàn)整個電路設(shè)計，電原理圖在時序調(diào)整及簡單電路方面有其靈活機動的特點，VHDL不僅利于設(shè)計文檔的管理而且方便設(shè)計的修改和擴充以及在不同工程之間的移植。主要電路參數(shù)設(shè)計如下:
[0030]1.頻率可調(diào)設(shè)計
[0031]DDS系統(tǒng)采用5.5MHz晶振，經(jīng)128分頻后產(chǎn)生42.96875kHZ參考時鐘，因此，最小頻率分辨率為42.96875kHZ/232 = 10 μ Hz，要得到45Hz至IkHz步進10 μ Hz的頻率，則k值相應(yīng)取值為:45Hz 時，k = 45Ηζ/10μ Hz = 4.5 X 16 ；lkHz 時，k = lkHz/ΙΟμ Hz = I X108。因此，k值取范圍為4.5X106至IXlO80
[0032]2.相位可調(diào)設(shè)計
[0033]相位累加器是32位的，理論上相位分辨率可達到(1/232) X360 ° =
8.38X 10_8(度)。為實現(xiàn)相位分辨率為0.1。。則初始相位控制字為0.1/(8.38X 10_8)=1193046。依次要得到初始相位為0-359.9°，則初始相位值設(shè)定為1193046的O至3599倍。把1193046以二進制形式存儲于程序存儲器中，當(dāng)接收到相位設(shè)定值時，先把設(shè)定值乘以1193046，再轉(zhuǎn)換為相位初始控制字。
[0034]3.幅度可調(diào)設(shè)計
[0035]在幅度調(diào)節(jié)設(shè)計中采用了雙D/A的設(shè)計方法，如圖3所示。波形D/A為DAC1，幅度D/A為DAC2，DACl用于把波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，DAC2用于輸出信號的幅度調(diào)節(jié)。
[0036]波形D/A的參考電壓由幅度D/A提供。由于波形D/A輸出的模擬量Votiti = KVrefl,D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓的幅值取決于參考電壓，因此可利用對參考電壓的控制來實現(xiàn)幅度的調(diào)節(jié)，即輸出波形的幅度調(diào)節(jié)由調(diào)節(jié)幅度D/A的輸出電壓來實現(xiàn)。
[0037]設(shè)計中幅度D/A選用12位，參考電壓取5V。D2是幅度D/A的輸入數(shù)據(jù)，在控制信號控制下，通過數(shù)據(jù)總線加載幅度控制數(shù)據(jù)鞏是波形D/A的輸入數(shù)據(jù)。由此可得:
[0038]^utl =^J\^D2 D1
[0039]式中，Vk = 5V，N = 12，程序通過查表把數(shù)據(jù)D1讀到幅度基準(zhǔn)寄存器，可獲得幅度范圍0-5V。
[0040]由于12位波形D/A輸出的幅度范圍是5V，因此，經(jīng)反饋及變換電路后的幅度范圍是0-300V，分辨率為73mV。
[0041]二、功率逆變電路設(shè)計
[0042]功率逆變電路采用正弦調(diào)制(SPWM)方式實現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換。由于SPWM調(diào)制后的信號中除了含有調(diào)制信號和頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量之外，幾乎不含其它諧波。因此，提高開關(guān)頻率可以消除逆變器的低頻諧波，減小諧波損耗，但開關(guān)頻率過高，會使逆變器的開關(guān)損耗及電磁干擾大幅增加，同時給DSP的運算及D/A轉(zhuǎn)換帶來壓力，此外，死區(qū)時間在理想脈寬中所占的比例過大也會對調(diào)制度造成不利影響。因此，從開關(guān)器件的損耗、諧波失真度之間折中，選取開關(guān)頻率為80kHz。由于單極性調(diào)制產(chǎn)生的波形失真較大，我們采用雙極性調(diào)制技術(shù)獲得SPWM波。電路中全橋的4個功率管都工作在較高的載波頻率，同一橋臂的兩個功率管互補導(dǎo)通，可得到較為理想輸出波形。
[0043]為降低調(diào)制復(fù)雜程度，我們采用異步方式SPWM技術(shù)實現(xiàn)DC/AC頻率輸出的精密控制，保持調(diào)制頻率(即開關(guān)頻率)fs固定不變，通過改變載波比N完成輸出頻率f。的變化。由于電源最高輸出頻率只有1kHz，所以N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響較小。
[0044]設(shè)計中采用電壓跟蹤控制方法生成SPWM波形，可實現(xiàn)高精度輸出。該方法具有高頻濾波器設(shè)計簡便，輸出諧波小的優(yōu)點，其產(chǎn)生的誤差在工程上可以忽略不計。工作原理如下:采用閉環(huán)控制，把希望輸出的波形作為指令信號把實際波形作為反饋信號V，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號變化。在比較控制過程中，如v〈v*，則在下一個開關(guān)周期中將功率開關(guān)占空比增大，使V增大dnv>v*，則降低占空比，使V減小。這樣，對每個開關(guān)周期的控制作用都是使實際電壓與指令電壓的誤差減小，只要載波比N足夠大，即可保證電壓跟蹤控制精度。具體實現(xiàn)電路如圖4，把指令電壓V*和實際輸出電壓V進行比較，求出偏差，經(jīng)放大器Al放大后，再和斜波(或三角波)進行比較，產(chǎn)生SPWM波形。為確保電路的良好跟蹤特性，Al選用具有比例積分特性或比例特性的放大器。
[0045]考慮到功率器件的開通和關(guān)斷都需要時間，為防止上下臂直通造成短路，需設(shè)置一定的死區(qū)時間。因此，放大器A輸出信號的幅值不能超過斜波幅值，實際電路工作時，考慮到功率器件的開通和關(guān)斷時間，調(diào)制度M取為0.85。因最大輸出電壓有效值為300V，故前級電壓輸出應(yīng)為

【權(quán)利要求】
1.一種大功率任意波發(fā)生裝置，其特征在于:包括DSP控制系統(tǒng)、接入任意波形發(fā)生器、正弦脈寬調(diào)制電路、AC/DC、DC/AC、高頻濾波電路、反饋取樣電路、A/D轉(zhuǎn)換器、誤差放大電路，所述AC/DC輸出端與DC/AC輸入端連接，DC/AC輸出端與高頻濾波電路輸入端連接，高頻濾波電路輸出端輸出交流信號，高頻濾波電路輸出端還與反饋取樣電路輸入端連接，反饋取樣電路輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換器與DSP控制系統(tǒng)連接，所述任意波形發(fā)生器輸入端接入DSP控制系統(tǒng)，任意波形發(fā)生器輸出端接入誤差放大電路一個輸入端，反饋取樣電路還有輸出端接入誤差放大電路另一個輸入端，誤差放大電路輸出端與正弦脈寬調(diào)制電路輸入端連接，正弦脈寬調(diào)制電路輸出端與DC/AC電路輸入端連接； 所述任意波形發(fā)生器包括相位累加器、波形存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器，其中相位累加器輸入端與DSP控制系統(tǒng)連接，相位累加器輸出端與波形存儲器輸入端連接，波形存儲器輸出端與D/A轉(zhuǎn)換器輸入端連接，D/A轉(zhuǎn)換器輸出端與低通濾波器輸入端連接，低通濾波器輸出端與誤差放大電路輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率任意波發(fā)生方法，其特征在于:采用DDS(直接數(shù)字頻率合成)方法，利用FPGA技術(shù)從相位角度出發(fā)來實現(xiàn)頻率合成，將一系列數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號的合成技術(shù)，根據(jù)采樣定理，通過查表法產(chǎn)生任意波形實現(xiàn)任意波形發(fā)生器功能；再以任意波形發(fā)生器的輸出為參考基準(zhǔn)，基于等效面積原理，生成所需波形的等效PWM波，然后通過控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，獲得恒幅值的高頻調(diào)制波形，經(jīng)高頻濾波后，得到需要的輸出波形，完成信號的功率放大；這樣，利用任意波形發(fā)生器，改變調(diào)制信號的頻率和幅度，可實現(xiàn)輸出的精確調(diào)節(jié)。
【文檔編號】G01R31/26GK104133166SQ201410321584
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】王文廷, 李斌, 王群, 王俊 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所