一种基于波形预失真的闭环反馈放大电路及其工作方法与流程

1.本发明涉及功率放大器技术领域，特别是涉及一种基于波形预失真的闭环反馈放大电路及其工作方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前电力测量领域的电流功率放大器的方案主要分为两大类，一是采用现成的集成功放及分立元器件的线性功放方案，二是采用mos管做开关斩波的spwm开关功放方案，线性集成功放方案一般是采用adi或者ti现有的集成功率放大器，常用为大功率的音频功率放大器，直接音频功率放大器存在问题为，带宽足够大，但是在频率较高时会有百分之几左右的衰减，对于音频功放来说并不影响，但是对于电力测量用标准源功放来说，一般要求准确度做到0.1％以内，因此难以满足要求，同时其相位延时较大，在作为电力测量用标准源功放时，难以控制相位准确度，同时效率低，一般为25％左右，在轻负载输出时更低；二是采用spwm开关功放，效率较高，一般能达到70％左右，存在的问题是，输出频率受到spwm载波频率的限制，目前一般载波的频率为几十khz，为保证滤波后输出信号的失真度，一般载波内信号的频率需要低于载波频率一个数量级以上，带宽受限于载波，同时受到开关速率、后级lc滤波电路及环路稳定性的影响，目前一般信号输出纯50hz正弦，或工频叠加谐波，谐波频率一般小于22次，含有率低于20％，难以输出宽范围、高次、高含有率谐波，且开关功放由于载波并不能够完全滤除，因此失真度差，输出稳定度也较差，同时由于谐波频率较高，载波对谐波输出也存在影响。
4.因此在电力测量领域标准功率源用电流功率放大器存在问题，线性功放输出稳定度高、失真度小，但是效率低的问题，开关功放输出效率高，但是输出稳定度不高、失真度大的问题，因此急需寻找一种功率放大器装置及其方法能够兼顾线性功放及开关功放的优点。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出了一种基于波形预失真的闭环反馈放大电路及其工作方法，其能够针对不同的输出频率选择合适的滤波器，提升功放输出效率。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种基于波形预失真的闭环反馈放大电路，包括：
8.预失真波形拟合器，分别连接信号输入端口和输出采样电路；
9.数模转换器，接收预失真波形拟合器的拟合数字波形信号；
10.d类功率放大器，分别接收数模转换器的模拟信号和闭环反馈电路的闭环反馈信号；
11.自适应滤波器，接收d类功率放大器的放大信号。
12.进一步地，所述预失真波形拟合器通过采样输出信号和输入信号，拟合生成用于修正功率放大器输出失真的拟合数字波形信号。
13.进一步地，预失真波形拟合器通过spi接口输出拟合数字波形信号至数模转换器，通过数模转换器生成模拟信号，和闭环反馈信号一起输出至d类功率放大器。
14.进一步地，所述闭环反馈电路和功放输出连接，闭环反馈电路将功放输出反馈至d类功率放大器输入。
15.进一步地，所述的输出采样电路和功放输出连接，输出采样电路采样功放输出。
16.进一步地，所述预失真波形拟合器包括多路ad转换器和双核dsp。
17.进一步地，所述双核dsp包括采样数据处理分析单元，双核dsp通过spi接口读取多路ad转换器的采样值数据，通过采样值数据计算输入信号、输出采样信号的幅值、频率、相位电参数。
18.进一步地，所述闭合反馈电路，通过高精度互感器和精密取样电阻取样功放输出的电流值。
19.进一步地，所述自适应滤波器，用于滤除d类放大器发出的高频载波信号。
20.第二方面，本发明提供一种基于波形预失真的闭环反馈放大电路工作方法，包括：
21.通过闭环反馈电路实现功放输出的快速反馈通道，完成功率放大输出；
22.通过输出采样电路采样功放输出值和输入信号值，经预失真波形拟合算法调整功放输出值，实现对功放输出波形的高精度调整。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.本发明采用基于波形预失真技术的硬件闭环反馈的d类功率放大电路，具有输出稳定度高、失真度小、输出效率高、输出带宽高、相位延迟小、体积小、重量轻、可靠性高等优点，同时输出采用自适应滤波器模块及方法，针对不同的输出参数选择合适的滤波器，提升功放输出效率，可用于电力测量领域标准功率源。
25.附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
27.图1为本实施例1提供的功率放大器的结构示意图；
28.图2为本实施例1提供的预失真波形拟合器图；
29.图3为本实施例1提供的双核dsp图；
30.图4为本实施例1提供的数模转换器图；
31.图5为本实施例1提供的d类功放原理图；
32.图6为本实施例1提供的闭环反馈电路图；
33.图7为本实施例1提供的输出采样电路图；
34.图8为本实施例1提供的自适应滤波器图。
具体实施方式
35.下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
36.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
37.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
38.本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
39.实施例1
40.第一方面，本发明提供一种基于波形预失真的闭环反馈放大电路，包括：
41.预失真波形拟合器，分别连接信号输入端口和输出采样电路；
42.数模转换器，接收预失真波形拟合器的拟合数字波形信号；
43.d类功率放大器，分别接收数模转换器的模拟信号和闭环反馈电路的闭环反馈信号；
44.自适应滤波器，接收d类功率放大器的放大信号。
45.具体的，
46.图1是功率放大器的整体系统框图，功率放大器主要由信号输入端口、预失真波形拟合器、da装换器、d类功率放大器、输出采样电路、闭环反馈电路、自适应滤波器、功放输出端口组成；所述的预失真波形拟合器连接信号输入端口，预失真波形拟合器采样输入信号，所述预失真波形拟合器连接输出采样信号，采样功放输出信号，预失真波形拟合器通过采样输出信号和输入信号，拟合生成用于修正功率放大器输出失真的拟合数字波形信号，用于后续数模转换器；所述的预失真波形拟合器和数模转换器连接，预失真波形拟合器通过spi接口输出拟合数字波形信号至数模转换器，通过数模转换器生成模拟信号，和闭环反馈信号一起输出至d类功率放大器；所述的数模转换器连接d类功率放大器，所述的闭环反馈信号连接d类功率放大器，数模转换器输出的模拟信号和闭环反馈信号一起反馈控制d类功率放大器输出；所述的d类功率放大器连接自适应滤波器，d类放大器需要在级跟随lc滤波器，滤除高频载波信号，其lc滤波器的值需要根据载波频率及信号频率确定，由于功率放大器带宽较宽，因此lc滤波器需要根据不同的带宽选择合适的值；所述的自适用滤波器和功放输出端口连接，经滤波器后的信号通过功放输出端口输出；所述的闭环反馈电路和功放输出连接，闭环反馈电路将功放输出反馈至d类功率放大器输入；所述的输出采样电路和功放输出连接，输出采样电路采样功放输出。
47.以下对图1中的单元进行详细介绍：
48.s1预失真波形拟合器
49.所述的输出采样和多路ad转换器连接，所述的信号输入和多路ad转换器连接，多
路ad转换器采样输入信号和功率放大器的输出信号；所述的多路ad转换器和双核dsp连接，双核dsp通过spi接口读取多路ad转换器的采样数据，其中双核dsp的一个cpu处理采样数据，另一个核心cpu运行预失真波形拟合算法，通过分析输入信号和功率放大器的输出信号的采样数据，生成拟合数字波形信号；所述的双核dsp和预失真波形拟合算法连接，预失真波形拟合算法运行在双核dsp中，双核dsp的一个核心cpu处理采样数据，另一个核心cpu运行预失真波形拟合算法，通过分析输入信号和功率放大器的输出信号的采样数据，生成拟合数字波形信号；所述的预失真波形拟合算法和拟合数字波形信号连接，通过sport接口输出拟合数字波形信号至数模转换器。
50.1.1多路ad转换器
51.多路ad转换器，采用adi的ad7608，具备8路同步采样输入，可同时采样输入信号及功率放大器的输出信号。
52.1.2双核dsp
53.所述多路ad转换器连接采样数据分析处理单元，采样分析处理单元在双核dsp的其中一个核内运行，通过spi接口读取多路ad装换器的采样值，进行分析计算出输入信号、输出采样电路信号的幅值、频率、相位等电参数；所述的预失真波形拟合算法和拟合数字波形信号连接，预失真波形拟合算法运行在dsp的另一个核内，通过采样数据及分析的电参数，结合预失真波形拟合算法将输入信号数字采样值和输出采样信号的数字采样值计算拟合数字波形信号，拟合数字波形信号通过数模转换器转换为模拟信号，和闭环反馈电路信号反馈控制d类功率放大器；所述的拟合数字波形信号连接数模转换器，通过数模转换器转换为模拟信号，和闭环反馈电路信号一起驱动d类功率放大器。
54.双核dsp采用adi的bf609，具备双核心，最高主频可到480mhz，并扩展128m的ddr同步内存和32m的异步存取flash，一个核心运行采样数据处理分析，另一个核心运行预失真波形拟合算法，拟合数字波形信号，并同步运行计算，为装置提供强大的信号处理能力，可减小由于cpu运算导致的相位延迟误差。
55.采样数据处理分析单元，双核dsp通过spi接口读取多路ad转换器的采样值数据，通过采样值数据计算输入信号、输出采样信号的幅值、频率、相位等电参数。
56.预失真波形拟合算法，首先建立数字预失真模型，本发明采用多项式模型，模型如下：
[0057][0058]
其中ak、bk为多项式系数
[0059]
其中，ak、bk为多项式模型的系数，k为模型的阶次数，x(t)为输入信号多项式、z(t)为反馈信号的多项式。由于多项式中的阶次数k、多项式模型系数ak、bk影响着模型的精确度，所以选取合适的模型阶次数及多项式模型系数很重要。实际应用通过比较不同k、ak、bk情况下模型输出与实际输出的归一化均方误差(nmse)来确定最佳的模型阶次数及多项式系数，如此确定了功放数字预失真模型的最终数学表达式。
[0060]
拟合数字波形信号，在双核dsp内，通过采样分析输入信号及输出采样信号，通过预失真波形拟合算法，拟合生成最终的拟合数字波形信号，通过数模转换器，生成模拟信
号，和闭环反馈信号一起反馈控制d类功率放大器，控制功放输出。
[0061]
s2数模转换器
[0062]
发明采用adi的真18位电压型dac，器件型号为ad5781，采用多功能三线式串行接口，能够以最高35mhz的时钟速率工作，并与标准spi、qspi
tm
、microwire
tm
、dsp接口兼容，内置上电复位电路，确保dac上电后输出至0v并保持已知输出阻抗状态，直到对该器件执行一次有效的写操作为止，具备输出箝位特性，可将输出置于已定义的负载状态，为功率放大器提供灵活的操控方式，输出电压噪声典型值1.1uv，提供极佳的信号输出质量，积分非线性为0.5lsb，也就是其幅值调整线性度可达0.5/(2^18)＝1.9ppm，可对功放输出进行高精度的调整。
[0063]
ad5781dac的电压信号输出经过运算放大器ad8676做跟随输出后，和闭环反馈信号一起反馈控制d类功率放大器，控制功放输出。
[0064]
s3.d类功率放大器
[0065]
本发明采用ti的d类放大器tpa3251，带宽高达100khz，对于电力领域用功率放大器，最高只需要到几khz，典型thd n为0.005％，电力领域用标准源一般要求小于1％，输出效率高达90％，一般线性功放的效率约为25％左右，一般spwm开关型功放的效率约为75％左右，同时具备全面的保护功能，包括欠压、过压、削波及短路等保护手段，保证了整个功率放大器的可靠性。
[0066]
如图5所示，d类功放原理图的功放输入信号，来自预失真波形拟合器、闭环反馈信号的加法信号；接外部供电电源，包括dvdd、avdd、pvdd、供电电源；vout 、vout-为功放的输出信号，后面需接入自适应滤波器滤波输出。
[0067]
s4.闭环反馈电路
[0068]
本发明采用高精密的铂电阻、高精度互感器做闭环反馈取样器件，其典型温漂为1ppm，年漂移小于50ppm，确保了功率放大器的高精度，其带宽为几百khz以上，确保功率放大器的高带宽，能够高精度的输出各次谐波。
[0069]
所述的闭环反馈电路和功放输出连接，通过高精度互感器和精密取样电阻取样功放输出的电流值；所述的闭环反馈电路和d类功率放大器连接，闭环反馈电路取样d类功率放大器的电流值，通过高精度互感器和精密取样电阻的i/v变换，和数模转换器输出的模拟信号一起经d类功率放大器放大输出。
[0070]
s5输出采样电路
[0071]
所述的输出采样电路和功放输出连接，通过高精度互感器和精密取样电阻取样功放输出的电流值；所述的输出采样电路和预失真波形拟合器连接，输出采样电路取样功放输出的电流值，通过高精度互感器和精密取样电阻的i/v变换，输出至预失真波形拟合器中的多路ad转换器，完成模数转换测量。
[0072]
本发明的输出取样电路采用高精密的铂电阻、高精度的互感器做取样器件，其典型温漂为1ppm，年漂移小于50ppm，确保了取样反馈信号的高精度，其带宽为几百khz以上，确保取样的高带宽，将输出信号高保真的传送至预失真波形拟合器，通过和输入信号相互比较，结合预失真波形拟合算法生成拟合数字波形信号，通过数模转换器生成模拟信号和闭环反馈信号送至d类功率放大器，最终完成功率放大器的输出失真度修正，解决d类功放输出失真的问题。
[0073]
s6自适应滤波器
[0074]
所述的自适应滤波器和d类功率放大器连接，d类放大器的输出为载波信号和实际放大信号的混频信号，需要在d类功率放大器的后级加入滤波器滤除载波信号，保留有效放大信号；所述的自适应滤波器和预失真波形拟合器连接，预失真波形拟合器通过计算分析功放输出的实际值，控制相应的切换开关，选择不同参数的滤波器，减小功率放大器输出的失真度，提升功放输出效率；所述的自适应滤波器和功放输出连接，d类功率放大器的输出经过自适应滤波器滤波后输出。
[0075]
d类功率放大器芯片的输出实际上是载波及信号的混合信号输出，因此在放大器的输出后级需要通过滤波器滤除载波信号，筛选出有用的放大信号，由于本功率放大器的输出频率范围宽，为了达到较高的效率，输出采用多个滤波器，通过输出取样电路将功率放大器的输出信号送至预失真波形拟合器，预失真波形拟合器采样计算输出波形的频率、幅值、相位等参数，根据计算的功率放大器输出波形的参数，选择合适的输出滤波器，减小功率放大器输出的失真度，提升功放输出效率.
[0076]
实施例2.
[0077]
第二方面，本发明提供一种基于波形预失真的闭环反馈放大电路工作方法，包括：
[0078]
通过闭环反馈电路实现功放输出的快速反馈通道，完成功率放大输出；
[0079]
通过输出采样电路采样功放输出值和输入信号值，经预失真波形拟合算法调整功放输出值，实现对功放输出波形的高精度调整。
[0080]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。