CN115561513A - 一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置及方法，其中，采样预处理电路与信号输入端口连接，用于对输入信号进行滤波放大处理；第一模拟比较器的第一输入端与预处理电路的输出端连接；第一模拟比较器的输出端和第一D/A转换器的输入端均与处理器连接；第一D/A转换器的输出端与第一模拟比较器的第二输入端连接；处理器采用二分搜索逐次逼近式采样的方式，通过第一D/A转换器产生数字比较基准信号并输入第一模拟比较器的第二输入端；第一模拟比较器根据其第一输入端输入的采样信号与数字比较基准信号进行比较，并将比较结果输入处理器以判定输出状态，得到对应的采样结果；另结合脉冲同步信号，进一步提高了自适应性和采样效率。

Description

一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置及方法

技术领域

本发明涉及射频电源技术领域，具体而言，涉及一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置及方法。

背景技术

射频电源是一种可提供一定能量的射频功率源系统，现已广泛应用于医疗、新型材料形成、光能、科学实验等领域。

常见的脉冲射频电源的脉冲重复频率范围在1Hz～1MHz，占空比范围在0％～100％，因此，每个脉冲的宽度范围在0μs～1s。脉冲射频电源的功率经过耦合、检波后转换成电压信号，该电压信号经过滤波、放大、分压等处理成合适的方波信号(含直流电平信号)。该方波信号(含直流电平信号)的重复频率范围也在1Hz～1MHz，占空比范围在0％～100％。

脉冲射频电源的功率采样需要对处理后的方波信号(含直流电平信号)的峰峰值(Vp)进行采样。然后，按照对应的校正曲线将采样到的电压值还原为功率值，从而得到脉冲射频电源的输出功率。采样系统为了适应在重复频率和占空比在较大范围内可变的情况，必需要采用≥8Msps的高速ADC进行采样和≥400MIPS的高速处理器对采样量化后的数值进行计算。尽管市场上有满足这种运算和采样速度的处理器和ADC，但成本昂贵、功耗大、不便于小尺寸的集成。因此，需要提供一种方案在降低脉冲射频电源的功率采样成本、功耗和尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置及系统，用以实现在降低脉冲射频电源的功率采样成本、功耗和尺寸的技术效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置，包括信号输入端口、电源模块、采样预处理电路、第一模拟比较器、处理器和第一D/A转换器；所述采样预处理电路与所述信号输入端口连接，用于对所述输入信号进行滤波放大处理；所述第一模拟比较器的第一输入端与所述预处理电路的输出端连接；所述第一模拟比较器的输出端与所述处理器连接；所述第一D/A转换器的输入端与所述处理器连接；所述第一D/A转换器的输出端与所述第一模拟比较器的第二输入端连接；所述处理器采用二分搜索逐次逼近式采样的方式，通过所述第一D/A转换器产生数字比较基准信号并输入所述第一模拟比较器的第二输入端；所述第一模拟比较器根据其第一输入端输入的采样信号与所述数字比较基准信号进行比较，并将比较结果输入所述处理器以判定输出状态，得到对应的采样结果；所述电源模块用于为所述第一模拟比较器、所述处理器、所述第一D/A转换器以及所述采样预处理电路中的元件供电。

进一步地，所述自适应功率采样装置还包括第二模拟比较器和基准信号生成模块；所述第二模拟比较器的第一输入端与所述预处理电路的输出端连接；所述第二模拟比较器的输出端与所述处理器连接；所述基准信号生成模块的输入端与所述处理器连接；所述基准信号生成模块的输出端与所述第二模拟比较器的第二输入端连接；所述处理器通过第二模拟比较器和基准信号生成模块获取脉冲同步信号，并分析所述脉冲同步信号的脉宽、占空比值，根据所述脉宽、所述占空比调整采样策略。

进一步地，所述基准信号生成模块为D/A转换器、电位器或者分压电阻中的任意一种。

进一步地，所述采样预处理电路包括第一电阻、第二电阻、放大器和滤波电路；所述第一电阻的第一端与所述信号输入端口连接；所述放大器的第一输入端和所述第二电阻的第一端均与所述第一电阻的第二端连接；所述第二电阻的第二端接地；所述放大器的输出端与所述放大器的第二输入端连接；所述滤波电路的第一端与所述放大器的输出端连接；所述滤波电路的第二端与所述第一模拟比较器的第一输入端连接。

进一步地，所述自适应功率采样装置还包括与所述处理器连接的存储器和显示器。

进一步地，所述自适应功率采样装置还包括与处理器连接的多种类型的通信接口。

进一步地，所述电源模块包括电源输入接口；以及与所述电源输入接口连接的DC/DC转换器。

第二方面，本发明提供了一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样方法，应用于上述的自适应功率采样装置，包括：

从处理器需要输出的数字量的最高位开始，通过处理器将第一D/A转换器的输出电压设为当前剩余位数字量的一半，并输入第一模拟比较器的第二输入端；

第一模拟比较器将第一输入端输入的电压Vin与第二输入端输入的电压Vdac进行比较，并将比较结果发送至处理器；

处理器根据所述比较结果依次判定所述数字量各位对应的输出状态；其中，若Vin＞Vdac，则最高位为1；若Vin＜Vdac，则最高位为0；

当所述数字量的最低位确定后，所述处理器根据最终得到的输出按照第一D/A转换器的参考电压还原为电压值，得到最终的采样结果。

进一步地，所述方法还包括：在采样过程中处理器通过基准信号生成模块和第二模拟比较器获取脉冲同步信号，并分析所述脉冲同步信号的脉宽、占空比值，根据所述脉宽、所述占空比调整采样策略。

本发明能够实现的有益效果是：在本发明提供的自适应功率采样装置、系统及方法，信号输入端口的输入信号经过采样预处理电路后，送入第一模拟比较器的第一输入端，同时处理器通过第一D/A转换器的输出可以调整第一模拟比较器的第二输入端输入的比较基准电压。处理器使用二分搜索比较算法根据第一模拟比较器的输出状态调整第一D/A转换器的输出，即可确定脉冲峰值幅度；且可以达到与传统A/D转换器方式相同的采样精度(在D/A转换器、A/D转换器位数相同时)。通过这种方式，无需高速模数转换器和高速处理器也可较快实现脉冲射频电源的功率采样，在保证采样效率的同时降低了成本。

另外，使用二分搜索逐次逼近式采样可以将一次完整的采样分解成若干个转换周期来进行，所以对D/A转换器、模拟比较器和处理器的速度及性能要求远低于传统的A/D转换器直接采样技术。对硬件的处理速度要求降低的同时，功耗与实现体积也会大幅度降低。进一步地，二分搜索逐次逼近自适应采样在二分搜索逐次逼近式采样的基础上，提高了在脉冲信号不同的脉宽及占空比值范围内效率的均衡性和自适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置的拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样方法的流程示意图。

图标：100-自适应功率采样装置；110-采样预处理电路；111-滤波电路；120-电源模块；130-处理器；140-基准信号生成模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参看图1，图1为本发明实施例提供的一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置的拓扑结构示意图。

在一种实施方式中，本发明提供了一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置100，包括信号输入端口(INPUT)、电源模块120、采样预处理电路110、第一模拟比较器(U1A)、处理器130和第一D/A转换器(DAC1)；采样预处理电路110与信号输入端口(INPUT)连接，用于对输入信号进行滤波放大处理；第一模拟比较器(U1A)的第一输入端与预处理电路的输出端连接；第一模拟比较器(U1A)的输出端与处理器130连接；第一D/A转换器(DAC1)的输入端与处理器130连接；第一D/A转换器(DAC1)的输出端与第一模拟比较器(U1A)的第二输入端连接；处理器130采用二分搜索逐次逼近式采样的方式，通过第一D/A转换器(DAC1)产生数字比较基准信号并输入第一模拟比较器(U1A)的第二输入端；第一模拟比较器(U1A)根据其第一输入端输入的采样信号与数字比较基准信号进行比较，并将比较结果输入处理器130以判定输出状态，得到对应的采样结果；电源模块120用于为第一模拟比较器(U1A)、处理器130、第一D/A转换器(DAC1)以及采样预处理电路110中的元件供电。

在上述实现过程中，信号输入端口(INPUT)的输入信号经过采样预处理电路110后，送入第一模拟比较器(U1A)的第一输入端，同时处理器130通过第一D/A转换器(DAC1)的输出可以调整第一模拟比较器(U1A)的第二输入端输入的数字可调的比较基准电压(即数字比较基准信号)，只要输入信号高于比较基准电压(比较基准电压为反相输入端时)或低于比较基准电压(比较基准电压为同相输入端时)，第一模拟比较器(U1A)就会产生逻辑高电平输出。处理器130使用二分搜索比较算法根据第一模拟比较器(U1A)的输出状态调整第一D/A转换器(DAC1)的输出，即可确定脉冲峰值幅度；且可以达到与传统A/D转换器相同的采样精度(在D/A转换器、A/D转换器位数相同时)。

通过这种方式，无需高速模数转换器和高速处理器130也可较快实现脉冲射频电源的功率采样，同时降低了采样装置成本、体积以及功耗。

在一种实施方式中，自适应功率采样装置100还包括第二模拟比较器(U1B)和基准信号生成模块140；第二模拟比较器(U1B)的第一输入端与预处理电路的输出端连接；第二模拟比较器(U1B)的输出端与处理器130连接；基准信号生成模块140的输入端与处理器130连接；基准信号生成模块140的输出端与第二模拟比较器(U1B)的第二输入端连接；处理器130通过第二模拟比较器(U1B)和基准信号生成模块140获取脉冲同步信号，并分析脉冲同步信号的脉宽、占空比值，根据脉宽、占空比调整采样策略。

在上述实现过程中，处理器130通过基准信号生成模块140输入一个较小的门限电压作用到第二模拟比较器(U1B)的第二输入端，并将第二模拟比较器(U1B)的输出作为脉冲同步信号送入处理器130，只要输入信号高于门限电压(门限电压为反相输入端时)或低于门限电压(门限电压为同相输入端时)，第二模拟比较器(U1B)就会产生逻辑高电平输出，触发处理器130的中断捕获子程序，获取脉冲同步信号的脉宽及占空比有效值。处理器130根据不同的脉宽及占空比值，采用不同的策略进行采样，从而提高采样效率，达到采样效率在不同脉冲的脉宽及重复频率较大范围内的适应性和均衡性。采样策略分为：当脉冲同步信号脉宽较宽或重复频率较高时，采用阻塞式后台运行采样法。当脉冲同步信号较窄或重复频率较小时，采用非阻塞式前台运行采样法。

在一种实施方式中，基准信号生成模块140为D/A转换器、电位器或者分压电阻中的任意一种。示例性地，若基准信号生成模块140选用D/A转换器，则可以将该D/A转换器与第一D/A转换器(DAC1)集成在一个IC芯片中。具体地，该IC芯片的型号可以为MAX516，通过该IC芯片，简化了装置的结构，降低了装置的体积。

在一种实施方式中，采样预处理电路110包括第一电阻(R1)、第一电阻(R2)、放大器(U2)和滤波电路111；第一电阻(R1)的第一端与信号输入端口(INPUT)连接；放大器(U2)的第一输入端和第一电阻(R2)的第一端均与第一电阻(R1)的第二端连接；第一电阻(R2)的第二端接地；放大器(U2)的输出端与放大器(U2)的第二输入端连接；滤波电路111的第一端与放大器(U2)的输出端连接；滤波电路111的第二端与第一模拟比较器(U1A)的第一输入端连接。

示例性地，滤波电路111可以选用RC滤波电路、LC滤波电路等目前较为常用的滤波电路组成的多重滤波电路，充分去除干扰信号。需要说明的是，若需要滤除信号中的直流部分，也可以在放大器(U2)的第一输入端与第一电阻(R1)的第一端之间增设一个电容，同时在放大器(U2)的输出端增设一个电容，通过这两个电容充分滤除电路中的直流信号。

在一种实施方式中，处理器130通过二分搜索逐次逼近式采样的方式对模拟比较器输出的信号进行采样。通过二分搜索逐次逼近式采样和上述装置可以在采样过程中进行自适应调整，提高了采样的自适应性。

在一种实施方式中，为了更便于参看采样数据，自适应功率采样装置100还包括与处理器130连接的存储器和显示器。

在一种实施方式中，自适应功率采样装置100还包括与处理器130连接的多种类型的通信接口。示例性地，通信接口可以包括RS485接口、RS232通信接口、USB通信接口等。通过设置的通信接口，便于采样与外部设备进行数据交互，可以满足多种使用需求。

在一种实施方式中，电源模块120包括电源输入接口；以及与电源输入接口连接的DC/DC转换器。通过设置的电源模块120可以满足不同元器件的供电需求。

在一种实施方式中，本发明实施例还提供了一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样系统，包括上述的自适应功率采样装置100，以及与自适应功率采样装置100连接的后台监控终端。

请参看图2，图2为本发明实施例提供的一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样方法的流程示意图。

在一种实施方式中，本发明实施例还提供了一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样方法，以预处理电路的输出Vin送入第一模拟比较器(U1A)的同相输入端，第一D/A转换器(DAC1)的输出Vdac送入第一模拟比较器(U1A)的反相输入端为例，其具体内容如下所述。

S1.从处理器需要输出的数字量的最高位开始，通过处理器将第一D/A转换器的输出电压设为当前剩余位数字量的一半，并输入第一模拟比较器的第二输入端；

S2.第一模拟比较器将第一输入端输入的电压Vin与第二输入端输入的电压Vdac进行比较，并将比较结果发送至处理器；

S3.处理器根据所述比较结果依次判定所述数字量各位对应的输出状态；其中，若Vin＞Vdac，则最高位为1；若Vin＜Vdac，则最高位为0；

S4.当所述数字量的最低位确定后，所述处理器根据最终得到的输出按照第一D/A转换器的参考电压还原为电压值，得到最终的采样结果。

在上述实现过程中，只要输入信号高于比较基准电压(比较基准电压在反相输入端时)或低于比较基准电压(比较基准电压在同相输入端时)，第一模拟比较器(U1A)就会产生逻辑高电平输出，处理器通过调整第一D/A转换器的输出可确定脉冲峰值幅度，超越比较基准电压时，处理器就可以捕获到第一模拟比较器(U1A)的输出状态变化。

具体地，以8位的D/A转换器为例，预处理电路的输出Vin送入第一模拟比较器(U1A)的同相输入端，第一D/A转换器的输出Vdac送入第一模拟比较器(U1A)的反相输入端，其转换过程大致如下：

处理器首先设置D/A转换器的输出电压为8位数字量的一半，即10000000B；

如果Vin＞Vdac，那么第一模拟比较器输出逻辑高电平，处理器将数字量最高位bit7定为1；如果Vin＜Vdac，那么第一模拟比较器输出逻辑低电平，处理器将bit7定为0；这样最高位就确定了；

接下来确定次高位，处理器设置D/A转换器的输出电压为低7位的一半，即y1000000B(y为已确定位)；

如果Vin＞Vdac，那么第一模拟比较器输出逻辑高电平，处理器将数字量次高位bit6定为1；如果Vin＜Vdac，那么第一模拟比较器输出逻辑低电平，处理器将bit6定为0；这样次高位就确定了；

接下来确定bit5，处理器设置D/A转换器的输出电压为低6位的一半，即yy100000B(y为已确定位)；

如果Vin＞Vdac，那么第一模拟比较器输出逻辑高电平，处理器将数字量bit5定为1；如果Vin＜Vdac，那么第一模拟比较器输出逻辑低电平，处理器将bit5定为0；这样bit5就确定了；

依次类推，直到处理器将数字量的最低位bit0确定为止。

上述操作结束后，转换完成；处理器将得到的8位数字量按照D/A转换器的的参考电压还原成电压值，即为采样结果。

在一种实施方式中，上述方法还包括：在采样过程中处理器通过基准信号生成模块140和第二模拟比较器(U1B)获取脉冲同步信号，并分析所述脉冲同步信号的脉宽、占空比值，根据所述脉宽、所述占空比调整采样策略。

具体地，只要输入信号高于(比较基准电压在反相输入端时)或低于(比较基准电压在同相输入端时)比较基准电压，第一模拟比较器就会产生逻辑高电平输出，触发处理器的中断捕获子程序，获取脉冲采样信号的脉宽及占空比有效值。另外，采样策略可分为：当脉冲同步信号脉宽较宽或重复频率较高时，采用阻塞式后台运行采样法；当脉冲同步信号脉宽较窄或重复频率较小时，采用非阻塞式前台运行采样法。采用不同的策略进行自适应采样，提高了采样效率，同时达到了采样效率在不同脉冲的脉宽及重复频率较大范围内的适应性和均衡性。

综上所述，本发明实施例提供一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置及系统，包括信号输入端口、电源模块、采样预处理电路、第一模拟比较器、处理器和第一D/A转换器；采样预处理电路与信号输入端口连接，用于对输入信号进行滤波放大处理；第一模拟比较器的第一输入端与预处理电路的输出端连接；第一模拟比较器的输出端与处理器连接；第一D/A转换器的输入端与处理器连接；第一D/A转换器的输出端与第一模拟比较器的第二输入端连接；处理器采用二分搜索逐次逼近式采样的方式，通过第一D/A转换器产生数字比较基准信号并输入第一模拟比较器的第二输入端；第一模拟比较器根据其第一输入端输入的采样信号与数字比较基准信号进行比较，并将比较结果输入处理器以判定输出状态，得到对应的采样结果；电源模块用于为第一模拟比较器、处理器、第一D/A转换器以及采样预处理电路中的元件供电。通过这种方式，降低了采样装置的体积、功耗和成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样装置，其特征在于，包括信号输入端口、电源模块、采样预处理电路、第一模拟比较器、处理器和第一D/A转换器；所述采样预处理电路与所述信号输入端口连接，用于对所述输入信号进行滤波放大处理；所述第一模拟比较器的第一输入端与所述预处理电路的输出端连接；所述第一模拟比较器的输出端与所述处理器连接；所述第一D/A转换器的输入端与所述处理器连接；所述第一D/A转换器的输出端与所述第一模拟比较器的第二输入端连接；所述处理器采用二分搜索逐次逼近式采样的方式，通过所述第一D/A转换器产生数字比较基准信号并输入所述第一模拟比较器的第二输入端；所述第一模拟比较器根据其第一输入端输入的采样信号与所述数字比较基准信号进行比较，并将比较结果输入所述处理器以判定输出状态，得到对应的采样结果；所述电源模块用于为所述第一模拟比较器、所述处理器、所述第一D/A转换器以及所述采样预处理电路中的元件供电。

2.根据权利要求1所述的自适应功率采样装置，其特征在于，所述自适应功率采样装置还包括第二模拟比较器和基准信号生成模块；所述第二模拟比较器的第一输入端与所述预处理电路的输出端连接；所述第二模拟比较器的输出端与所述处理器连接；所述基准信号生成模块的输入端与所述处理器连接；所述基准信号生成模块的输出端与所述第二模拟比较器的第二输入端连接；所述处理器通过第二模拟比较器和基准信号生成模块获取脉冲同步信号，并分析所述脉冲同步信号的脉宽、占空比值，根据所述脉宽、所述占空比调整采样策略。

3.根据权利要求2所述的自适应功率采样装置，其特征在于，所述基准信号生成模块为D/A转换器、电位器或者分压电阻中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的自适应功率采样装置，其特征在于，所述采样预处理电路包括第一电阻、第二电阻、放大器和滤波电路；所述第一电阻的第一端与所述信号输入端口连接；所述放大器的第一输入端和所述第二电阻的第一端均与所述第一电阻的第二端连接；所述第二电阻的第二端接地；所述放大器的输出端与所述放大器的第二输入端连接；所述滤波电路的第一端与所述放大器的输出端连接；所述滤波电路的第二端与所述第一模拟比较器的第一输入端连接。

5.根据权利要求1所述的自适应功率采样装置，其特征在于，所述处理器通过二分搜索逐次逼近式采样的方式对所述模拟比较器输出的信号进行采样。

6.根据权利要求1所述的自适应功率采样装置，其特征在于，所述自适应功率采样装置还包括与所述处理器连接的存储器和显示器。

7.根据权利要求1所述的自适应功率采样装置，其特征在于，所述自适应功率采样装置还包括与处理器连接的多种类型的通信接口。

8.根据权利要求1所述的自适应功率采样装置，其特征在于，所述电源模块包括电源输入接口；以及与所述电源输入接口连接的DC/DC转换器。

9.一种用于脉冲射频电源的自适应功率采样方法，应用于权利要求1-8任一项所述的自适应功率采样装置，包括：

从处理器需要输出的数字量的最高位开始，通过处理器将第一D/A转换器的输出电压设为当前剩余位数字量的一半，并输入第一模拟比较器的第二输入端；

第一模拟比较器将第一输入端输入的电压Vin与第二输入端输入的电压Vdac进行比较，并将比较结果发送至处理器；

处理器根据所述比较结果依次判定所述数字量各位对应的输出状态；其中，若Vin＞Vdac，则最高位为1；若Vin＜Vdac，则最高位为0；

当所述数字量的最低位确定后，所述处理器根据最终得到的输出按照第一D/A转换器的参考电压还原为电压值，得到最终的采样结果。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在采样过程中处理器通过基准信号生成模块和第二模拟比较器获取脉冲同步信号，并分析所述脉冲同步信号的脉宽、占空比值，根据所述脉宽、所述占空比调整采样策略。

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