高频脉宽调制电压控制制造技术

在一个控制系统中，具有定义的时钟频率Ｃ，一种用于产生脉冲串的方法和装置，该脉冲串的平均电平与一个给定数Ｖ成比例，Ｖ具有Ｎ个等间隔的可能值，脉冲要被施加到一个给定低通处理，该方法包括以显著大于Ｃ／Ｎ的速率产生恒定振幅脉冲串，其中每个脉冲的宽度是时钟周期１／Ｃ的整数倍，并且所有脉冲的宽度不必相等。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及产生数字控制的电压电平，具体涉及产生宽度调制的脉冲，以在低通滤波后获得精细控制的电压电平。
技术介绍
在用于多种应用并且使用各种技术的很多装置类型中，都需要动态控制电平直流电压或直流电流(DC)。这其中特别包括DC电动机的速度控制和各种装置的辐射级的模拟控制。一种用于使用数字电路来产生具有动态控制电平的直流电压的普通方法是脉宽调制(PWM)。与利用模拟电路(例如数模转换器)相比，尤其是在希望高分辨率控制时，这种方法明显成本更低并且功率效率更高。如图1所示，典型的PWM实施方式利用n位长度的数提供控制，因此提供N＝2^n(2的n次幂)个步长的电压电平分辨率，其包括一个n位计数器，一个n位比较器，和一个触发器。计数器的输入是一个时钟脉冲串，并且每当它回绕到0时(即在达到最大计数值时把自己复位)，触发器被设置为1，当计数器匹配于与希望电压电平对应的控制数的值V时，触发器被复位为0。所得输出波形是一个矩形脉冲串，其速率(或频率)R等于时钟频率C除以N，并且其可控脉冲宽度是V个时钟周期，因此平均电压等于希望的输出电平。图5A显示从n＝6(N＝64)的这种现有技术系统输出的V＝17的波形的例子。水平轴代表时间，单位是脉冲周期，在此情况下每个脉冲周期是2^6＝64个时钟周期长。应该注意，为了便于例示，在这个例子以及以后的例子中采用6作为n的值，并且在实际中n的值远高于此，例如在14左右。如果希望一个平滑的模拟输出，使输出信号通过一个低通滤波器，该低通滤波器除去高频谱分量，并输出希望的直流电压(或DC)电平，加上一些在脉冲频率上的脉动。在很多应用中，例如当电压产生热效应时，无需低通滤波器，因为该处理或物理效应自身具有固有的长时间常数，因此表现得象一个低通滤波器。在后来，任何这种效应将被理解为归属于一般术语“低通滤波器”和“低通处理”。还应该理解，任何低通滤波处理具有一般的下降频谱特性，即一它的衰减一般随着频率而增加。应该注意，用于控制电平的分辨率类似于用于确定脉冲宽度的分辨率(或量化大小)(quantum size)。后者显然等于宽度调制脉冲的周期与一个时钟周期的比值，时钟周期是1/N＝1/2^n。图2A和2B的对数标度频谱图分别显示了在低通滤波器之前和之后，现有技术中的典型PWM脉冲串的振幅一频率的典型分布。图2B还显示了滤波器的典型衰减图。该例中的相关参数是时钟频率(C)＝50MHz，n＝14，V＝1639，由此脉冲率是C/N＝3KHz。很容易看出，作为对脉动的主要贡献者的前几个谐波仅被轻微衰减。对于一个给定低通滤波器，可以通过提高脉冲率来减少脉动。提高脉冲率可以通过减小控制位的数量或通过提高时钟频率来实现。显然，减小n会减小电平控制的分辨率，而提高时钟频率需要更复杂或昂贵的电路，或者甚至可能在给定系统中或某些环境下是不可行的。因此，显然需要一种数字地产生脉冲的方法，使得当把该脉冲施加到给定低通滤波器时，得到具有减小的脉动功率的直流电压，同时仍然可以以高分辨率控制其电平。并且具有这种方法显然是非常有利的。应该注意，在某些当前的应用中，有时由于与上述不同的原因而改变脉冲的频率。一个特别的原因是，希望避免来自电路的射频干扰(RFI)。例如，在Roman的US专利6,204,649中，公开了一种PWM控制器，其包括一个可变频率振荡器，使得一个开关调节器的频率改变，因此把由其产生的EMI噪声展开。同样，在Colotti的US专利5,537,305中，公开了一种开关电源，其开关频率被改变以避免干扰。但是，在所有这些和其它情况中，通常以相对小的量改变频率，这对于减小脉动是无意义的；而且，甚至当频移显著时，也没有试图保持电平控制的分辨率。电压电平的动态控制意味着控制数自身随着时间变化，也需要受控的直流电压电平相应变化。只要该变化比脉冲率明显慢，并且在低通滤波器的通带内，上述方法就是有效的，由此在一个等于足够数量脉冲周期、同时又短得足以使控制值的任何变化无关紧要的周期上计算脉冲串的任何平均值。在很多情况中，一个应用要求独立地控制多个电压电平。在现有技术系统中，这是通过相关电路的简单重复实现的，因而被证明是过度浪费的。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种用于减小由在宽度调制脉冲串上操作的给定低通滤波器输出的数字控制直流电压电平中的脉动的方法，该方法不减小分辨率，并且不需要较高的时钟频率。本专利技术方法的基本原理是以远高于由时钟频率和控制数的长度n规定的速率(如上所述)的速率R产生脉冲。速率R被选择为等于或高于使滤波器的衰减大于一个希望值的最低频率。脉冲的宽度被调制为，使得按平均来说，其正好与控制数成比例，而各个脉冲的宽度周期性地变化。优选地，从两个值(宽和窄)中选择脉冲宽度，这两个值相差一个时钟周期，优选地把宽脉冲与窄脉冲交错。在一个循环中较宽脉冲与总脉冲数的比率与确切希望的电平和如果所有脉冲都是窄脉冲时获得的电平之间的差成比例。具体地说，根据本专利技术的一个配置，脉冲率R被选择为现有技术脉冲率C/N的某个整数倍G；即R＝G*C/N。给定控制值V被除以G，得到一个整数被除数(integral dividend)P和一个余数S。首先以速率R产生脉冲串，脉冲的宽度正好与P成比例。然后如下修改这些脉冲把脉冲串逻辑地分组成分别具有G个连续脉冲的连续循环。在每个循环内，选择与值S成比例的一定量脉冲，并把每个选择的脉冲加宽一个时钟周期。优选地，所选脉冲被均匀分布在上述组中，以便使低频分量最小。显然，在一个循环上平均的所得脉冲的平均电平将与G*P+S(等于V)成比例。由于控制值V通常被给定为一个n位二进制数，脉冲率乘数G最好被选择为等于2^s，s是一个整数。那么V除以G相当于把V的s个低阶位评价为代表S并把V的p＝n-s个高阶位评价为代表P。应该注意，一组G个脉冲占用一个等于N(＝2^n)个时钟周期的周期，该周期也是常规PWM系统的脉冲周期。主要的不同是，在常规系统中该周期是由单个脉冲占用并因此确定脉冲串的主要频率分量，而根据本专利技术方法的脉冲串循环由大数量的G个脉冲组成，因此通常具有高得多频率的频谱分量。因此，对于一个给定时钟频率C和一个电平控制数的给定分辨率N，基本脉冲率从常规方法中的C/N增加到G*C/N，因此变得被任何给定低通滤波器更多地衰减。在原始的低脉冲率及其谐波上有一些剩余频率分量(由于宽和窄脉冲的不可避免的不良分布)，但是它们的振幅相对较低。参数的一个极端选择是p＝0和s＝n；因此G＝N。在此情况下，所有窄脉冲具有零宽度，一个宽脉冲的宽度是一个时钟周期。那么，一个循环中非零脉冲的数量将与控制数的值成比例，并且基本脉冲率可以达到C的一半。显然，在此情况下，脉冲串在甚高频将具有强频谱分量，因此将被最大地衰减。还公开了实施本专利技术方法的装置。在一个优选实施例中，其包括一个宽度调制脉冲发生器，产生脉冲串，其脉冲宽度与P成比例；和一个脉冲宽度修正器，用于把每个循环内的S个脉冲的宽度增加一个时钟周期。更具体地说，可应用于一个控制系统的本专利技术是一种用于产生脉冲串的方法，该脉冲串的平均电平与一个给定数V成比例，V具有N个等间隔的可能值，脉冲要被施加到一个给定低通处理，为系统定义有一个时钟频率C，该方法包括(一)确定一个频率F，本文档来自技高网...

【技术保护点】
在一个控制系统中，一种用于产生脉冲串的方法，该脉冲串的平均电平与一个给定数Ｖ成比例，Ｖ具有Ｎ个等间隔的可能值，脉冲要被施加到一个给定低通处理，为系统定义有一个时钟频率Ｃ，该方法包括：（一）确定一个频率Ｆ，在该频率之上时低通处理的衰减大于 一个给定值，（二）以等于或大于Ｆ的速率Ｒ产生恒定振幅的脉冲串，每个脉冲的宽度是一个时钟周期１／Ｃ的整数倍，其所有脉冲的宽度不必相等，以及（三）逻辑地把所述脉冲串划分为多个连续循环；其中在每个循环上脉冲的平均宽度与Ｖ成比例，并且其 中Ｒ可以大于Ｃ／Ｎ。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：埃尔哈南拉帕波特，伯纳德哈里斯，
申请(专利权)人：林克斯光化网络公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]