恒能量斩波式高频音频合成系统的研究与设计

发布时间：2017-11-12 05:03

  本文关键词：恒能量斩波式高频音频合成系统的研究与设计

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【摘要】：企业委托要求开发一种高性能的水下资源探测设备,指定其核心指标为：输出标准正弦波,波形频率为40HZ～100KHZ,并在指定区间内连续可调,同时,设备负载阻抗为4Ω～1KΩ,且在指定区间内连续可调,在频带范围和负载阻抗范围内,输出波形失真度小于1%,设备的输出功率恒为1KW。到目前为止,虽然有一些用PWM方式实现高保真音频功率波形输出的研究一直在进行,却进展缓慢。原因在于,PWM技术存在着一些技术难题始终未被攻克：一、尽管所谓的PWM的数字控制方式逐渐取代了硬件设计复杂的模拟控制方式,但是它的本质还是要将数字信号转化成模拟信号进行控制,传统PWM的很多缺点没有解决的同时,还因为算法的优劣以及所采用的数字芯片的性能带来了诸如波形失真、频率低、延时之类等不可忽略的问题。二、新型大功率高速开关器件的问世,使主回路斩波频率MHZ以上的新产品开发成为可能,然而,在目前的市场产品中,能与之相配套的超高速驱动模块产品却没有跟上。三、软开关技术的使用,使得斩波或逆变电路中的功率开关器件的开关损耗降低,电路效率提高,同时,也可以通过过流速断的方式在过负载或是输出短路的时对功率开关器件进行保护,但是,高频条件下由于实际电路中的各种分布参数带来的各种电磁干扰将使功能不能实现,甚至损坏电路及元器件,如高幅值的尖峰脉冲电压,将导致功率开关器件被击毁。在往届师兄对恒能量脉冲频率调制方式的功率变流方法通过实验证明其可行性和正确性的基础上,设计了恒能量斩波式高频音频合成系统,包括了控制、驱动、主回路三大模块。其中在控制模块电路中重点论述了主回路斩波电路控制模块设计及调试过程以及获得的成果结论,包括绝对值电路、精密电压-频率转换电路及二分频电路的原理设计及调试参数确定,其核心在于利用压-频转换电路实现了输出频率呈正弦规律变化的脉冲群,或者说脉冲宽度呈正弦规律(具体宽度与正弦波的幅值正相关)变化的输出波形,经过研究调试,使得其调频频率最高稳定在6MHZ,并具有良好的线性度,成功用于主回路的控制,实现脉冲频率调制(PFM)。采用所设计制作完成的驱动模块,在负载电容为6000pF时,最高脉冲频率达10MHZ,传输延迟时间8-9ns、脉冲上升下降沿时间7-9ns,输出波形的最高电压为24V,能很好满足100A以下的各类功率场效应管的高速驱动要求。主回路的调试主要是针对电磁兼容问题的探索以期完成系统预期的目标。而对于系统电磁兼容问题解决途径,主要采取主动减少和被动补偿的方式,包括了系统PCB设计原理到系统专用变压器制作再到系统实物装配整合及主回路的调试的整个过程。斩波频率最高可稳定到3MHZ。从课题的初衷来看,目前,除功率这一项指标外,其他要求都已经被达标甚至超标完成,现阶段实验成果可以作为功放投入生产,其产品性能优于市面已有功放产品(无论何种模式——数字或模拟),试验的结果验证了电子电路中功率传输模式的实用价值,并证明——在超高频率斩波控制过程中,模拟控制方式仍具有的现实意义,而且驱动模块的成功研制不仅仅促成了本项目的研发,其优越的性能足以使其单独投产并移植使用到其他电路系统。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN912.3

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本文编号：1174423