專利名稱：寬動態范圍的多通道高電壓功率放大儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于功率放大器技術領域，具體涉及到在集成電路中只用半導體器件的功率放大器。
PZT等壓電材料被用于航空航天結構的振動控制、光學系統的精密定位等，是目前非常重要研究領域。這類材料需要高電壓驅動，屬于容性負載，驅動電壓為幾百伏甚至于上千伏，但目前還沒有可供PZT等壓電材料高電壓驅動的儀器。
本實用新型的目的在于提供一種成本低、可實現多種電壓范圍、多種驅動功率輸出的寬動態范圍的多通道高電壓功率放大儀。
為達到上述目的，本實用新型采用的解決方案是它包括1～4個可編程放大電路對輸入的弱電壓信號進行前置放大輸出。它包括1～4個與可編程放大電路相對應的高壓功率放大電路，其輸入端分別接相對應的可編程放大電路的輸出端，該電路輸出的高壓功率信號即可驅動外部負載，同時輸出到信號衰減電路。它包括1～4與高壓功率放大電路相對應的信號衰減電路，對輸入的電壓信號進行降壓輸出到數字電路。它包括數字電路，輸入端接可編程放大電路和高壓功率放大電路，輸出端接可編程放大電路，該電路把輸入的電信號轉換成數字信號，進行數據處理，動態顯示出電壓數據，并對可編程放大電路的放大倍數進行數字控制。它還包括為整機提供工作電源的電源電路。
本實用新型的高壓功率放大電路包括放大電路、正相放大電路、負相放大電路、抗自激振蕩電路，放大電路的輸入端接可編程放大電路的輸出端、輸出端接正相放大電路和負相放大電路，抗自激振蕩電路與正相放大電路和負相放大電路相連接。
本實用新型是完整的儀器，它的高壓功率放大電路集成為模塊，與普通運算放大器一樣具有互換性，頻率響應范圍為0Hz-5kHz，電壓量程從±100V到±500V，輸出功率從5W到50W，它具有成本低、頻率響應范圍寬、電壓量程大、輸出功率靈活可變等優點，可用于PZT等壓電材料的高電壓驅動，還可用于高電壓功率信號發生器。
圖1是本實用新型的電氣原理方框圖。
圖2是本實用新型一個實施例的一個可編程放大電路圖。
圖3是本實用新型一個實施例的一個高壓功率放大電路圖。
圖4是本實用新型的信號衰減電路和數字電路圖。
圖5是本實用新型的電源電路圖。
設計人給出了本實用新型第一個實施例，在本實施例中采用一個可編程放大電路，一個高壓功率放大電路，與數字電路、電源電路連接構成
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步詳細說明，但本實用新型不限于這些實施例。
在圖1中，外部的弱電壓信號輸入到可編程放大電路，進行前置放大，輸出到高壓功率放大電路及數字電路，高壓功率放大電路輸出的高壓功率信號即可驅動外部負載，同時將衰減的高壓功率信號輸出到數字電路，數字電路把輸入的電信號轉換成數字信號，進行數據處理，動態顯示出電壓數據，數字電路對可編程放大電路的放大倍數進行數字控制。電源電路將220V的交流電變成±190V、±15V、+5V直流電，為可編程放大電路提供±15V和+5V工作電源、為數字電路的單片計算機和模／數轉換器以及液晶顯示器提供+5V工作電源、為高壓功率放大電路提供±190V和±15V工作電源。
圖2給出了本實施例的一個可編程放大電路圖。在圖2中，本實施例的可編程放大電路由集成電路U1、運算放大器U2A、運算放大器U2B、R1～R3、P1連接構成，集成電路U1的型號為AD526，運算放大器U2A和運算放大器U2B的型號為TL084。外部的弱電壓信號輸入到集成電路U1的信號輸入3腳，R1為輸入端電阻，集成電路U1的輸出8腳和9腳接運算放大器U2B的正相輸入端，運算放大器U2B反相輸入端接輸出端將放大信號輸出到數字電路，運算放大器U2B的正相輸入端接P1一端，P1的可調端接運算放大器U2A的正相輸入端，運算放大器U2A的反相輸入端通過R2接輸出端和通過R3接地。運算放大器U2A將集成電路U1輸出的放大信號再進行放大，輸出到高壓功率放大電路。
圖3給出了本實施例一個高壓功率放大電路圖。在圖3中，本實施例的高壓功率放大電路是由運算放大器U3、三極管Q1～三極管Q6、R4～R20、C1集成為模塊，運算放大器U3的型號為OP07EP，運算放大器U3、R4、R19、R20連接成放大電路，三極管Q1～三極管Q3、R6、R8、R10、R12、R16、R17連接成正相放大電路，三極管Q4～三極管Q6、R5、R9、R11、R13、R14連接成負相放大電路，R18、C1連接成自激振蕩電路，R15為正相放大電路和負相放大電路的公用電阻。運算放大器U3的正相輸入端接可編程放大電路運算放大器U2A的輸出端并通過R4接地、反相輸入端通過R20接地以及R19的一端、輸出端通過R6接三極管Q1的基極并通過R7接三極管Q4的基極，R10的一端接三極管Q1的基極和R8的一端、另一端接15V電源，R8的另一端接R9、R12、R13、R15、R18、C1，R9的另一端接三極管Q4的基極并通過R11接15V電源負極，R12的另一端接三極管Q1的發射極，R13的另一端接三極管Q4的發射極，R15的另一端接地，R18的另一端和C1的另一端接三極管Q2和三極管Q5的集電極，三極管Q2的基極接三極管Q1的集電極和R16的一端，R16的另一端接190V電源，三極管Q2的發射極接三極管Q3的基極和R17的一端，R17的另一端接190V電源，三極管Q3的集電極接三極管Q2的基極，三極管Q5的基極接三極管Q4和三極管Q6的集電極、發射極接三極管Q6的基極和R5的一端，三極管Q6的集電極接三極管Q5的基極和R14的一端，R5和R14的另一端接190V電源負極。三極管Q1、Q2和Q3用于放大運算放大器U3輸出的正相電壓，Q4、Q5和Q6用于放大運算放大器U3輸出的負相電壓，其中Q2和Q5用于實現功率輸出。
在圖4中，本實施例的信號衰減電路由運算放大器U2C、R25、電位器P2連接構成，運算放大器U2C的型號為TL084。R25的一端接高壓功率放大電路三極管Q2和三極管Q5的集電極、另一端接電位器P2的一端，P2的可調端接運算放大器U2C的正相輸入端、另一端接地，運算放大器U2C的反相輸入端和輸出端接數字電路。
在圖4中，本實施例的數字電路由模／數轉換器U5、單片機U4、液晶顯示器MDL(S)-20269、D1、D2、R21～R24、C2～C6、電解電容E1～電解電容E3、電位器P3、振蕩器XTAL1、按鍵K1～按鍵K3連接構成，模／數轉換器U5的型號為MAX197，單片機U4的型號為89C51，模／數轉換器U5模擬輸入17腳接信號衰減電路運算放大器U2C的輸出端，模／數轉換器U5模擬輸入16腳接可編程放大電路運算放大器U2B的輸出端。模／數轉換器U5的內部基準26腳接電解電容E3、內部基準調節25腳接C6、電源27腳接C5和電解電容E2、8位數據端口7腳～14腳分別接單片機U4的數據口32腳～39腳，C5、C6、電解電容E2、電解電容E3的另一端接地，模／數轉換器U5的寫控制3腳接單片機U4的P20、讀控制4腳接單片機U4的P21、片選通2腳接單片機U4的P22、轉換結束信號24腳接單片機U4的P30、高低字節讀控制信號5腳接單片機U4的P23，K1、K2和K3的一端接地、另一端分別接單片機U4的P32、P33和P34，并分別通過R21、R22和R23接電源，C2、C3和振蕩器XTAL1組成振蕩電路，接單片機U4的18、19腳，電解電容E1和R24組成復位電路，接單片機U4的復位9腳，單片機U4的8位數據口32腳～39腳分別接液晶顯示器MDL(S)-20269的14腳～7腳，MDL(S)-20269的4腳、讀寫控制5腳和使能信號6腳分別接單片機U4的P24、P25和P26，MDL(S)-20269的對比度控制3腳接電位器P3的可調端、內置背光板的電源端通過D2和D1接電源，電位器P3的一端接電源、另一端接地。來自可編程放大電路和信號衰減電路的電信號輸入到模／數轉換器U5，將模擬信號轉換成數字信號輸出到單片計算機U4，單片計算機U4對數字信號進行數據處理并輸出到液晶顯示器MDL(S)-20269，動態顯示電壓數據，單片計算機U4通過P11、P10對可編程放大電路的放大倍進行數字控制，放大倍數為1、2、4、8四檔。
在圖5中，本實用新型的電源電路由電源濾波器A10SPL0127、整流全橋10A／600V、交流／直流變換模塊HAS5-15-W、直流／直流變換器5D15、四塊大功率直流／直流變換模塊VI-200、電解電容E4～E7、C7～C9、熔斷器FU、開關S1連接構成。電源濾波器A10SPL0127的輸入端通過開關S1和熔斷器FU接220V交流電、輸出端一路接整流全橋10A／600V另一路接交流／直流變換模塊HAS5-15-W，整流全橋10A／600V的正端輸出3腳分別接四塊大功率直流／直流變換模塊V1～V4的正相輸入端、負端輸出4腳分別接四塊大功率直流／直流變換模塊V1～V4的負相輸入端，電解電容E4是整流全橋10A／600V的濾波器，大功率直流／直流變換模塊V1的正電壓輸出端接大功率直流／直流變換模塊V2的負電壓輸出端，大功率直流／直流變換模塊V1的負電壓輸出端輸出-190V直流電壓，大功率直流／直流變換模塊V2的正電壓輸出端接大功率直流／直流變換模塊V3的負電壓輸出端，作為地，大功率直流／直流變換模塊V3的正電壓輸出端接大功率直流／直流變換模塊V4的負電壓輸出端，大功率直流／直流變換模塊V4的正電壓輸出端輸出+190V直流電壓，±190V輸出為高壓功率放大電路提供電源。交流／直流變換模塊HAS5-15-W將220V交流電變為+5V直流電源輸出，為數字電路提供工作電源，C7和電解電容E5是+5V的濾波電容，交流／直流變換模塊HAS5-15-W輸出端還接直流／直流變換模塊5D15，直流／直流變換模塊5D15將5V電壓變為±15V電壓輸出，為可編程放大電路提供工作電源，C8和電解電容E6是+15V的濾波電容，C9和電解電容E7是-15V的濾波電容。
設計人給出了本實用新型第二個實施例。在本實施例中，采用結構完全相同的四個可編程放大電路和四個高壓功率放大電路以及四個信號衰減電路，與數字電路、電源電路連接構成。每個可編程放大電路和高壓功率放大電路以及信號衰減電路與第一個實施例的可編程放大電路和高壓功率放大電路以及信號衰減電路完全相同。外部的弱電壓信號分別輸入到四個可編程放大電路，四個可編程放大電路的一輸出端分別接數字電路模／數轉換器的輸入16腳、18腳、20腳，22腳，四個可編程放大電路的另一輸出端分別接四個高壓功率放大電路的輸入端。四個高壓功率放大電路的輸出端分別接四個信號衰減電路的輸入端，四個信號衰減電路的輸出端分別接數字電路模／數轉換器的輸入17腳、19腳、21腳、23腳。其它電路元器件的連接關系，電路與電路之間的連接關系與第一個實施例完全相同。
根據上述原理，還可設計出另外一種具體結構的寬動態范圍的多通道高電壓功率放大儀。
權利要求1.一種寬動態范圍的多通道高電壓功率放大儀，它包括1～4個可編程放大電路對輸入的弱電壓信號進行前置放大輸出；1～4個與可編程放大電路相對應的高壓功率放大電路，其輸入端分別接相對應的可編程放大電路的輸出端，該電路輸出的高壓功率信號即可驅動外部負載，同時輸出到信號衰減電路；1～4與高壓功率放大電路相對應的信號衰減電路，對輸入的電壓信號進行降壓輸出到數字電路；它包括數字電路，輸入端接可編程放大電路和高壓功率放大電路，輸出端接可編程放大電路，該電路把輸入的電信號轉換成數字信號，進行數據處理，動態顯示出電壓數據，并對可編程放大電路的放大倍數進行數字控制；它還包括為整機提供工作電源的電源電路。
2.按照權利要求1所述的寬動態范圍的多通道高電壓功率放大儀，其特征在于所說的高壓功率放大電路包括放大電路、正相放大電路、負相放大電路、抗自激振蕩電路，放大電路的輸入端接可編程放大電路的輸出端、輸出端接正相放大電路和負相放大電路，抗自激振蕩電路與正相放大電路和負相放大電路相連接。
專利摘要一種寬動態范圍的多通道高電壓功率放大儀,它包括1～4個可編程放大電路、1～4個與可編程放大電路相對應的高壓功率放大電路、1～4個與高壓功率放大電路相對應的信號衰減電路、數字電路以及電源電路,它具有成本低、頻率響應范圍寬、電壓量程大、輸出功率靈活可變等優點,可用于PZT等壓電材料的高電壓驅動,還可用于高電壓功率信號發生器。
文檔編號H03F3/26GK2416667SQ0022630
公開日2001年1月24日 申請日期2000年4月19日 優先權日2000年4月19日
發明者徐明龍 申請人:西安交通大學