一种适于波形调控的高压信号发生器的制作方法

本发明属于信号发生设备相关领域，更具体地，涉及一种适于波形调控的高压信号发生器，其能够以结构紧凑、稳定性强和精度高的方式输出千伏级的高压，同时能够产生所需频率和幅值的各类指定波形信号。

背景技术：

在柔性电子电喷印制造、静电纺丝、光电管及光谱仪等领域中，通常会使用到高压信号发生器，以便实现高电压幅值的输出和外部信号触发等功能。例如，在柔性电子电喷印工艺中，它输出可调节的直流高压或是输出偏置高压并与放大的函数信号相叠加，由此用于各类视觉检测信号的开环或闭环精密控制过程。

高压信号发生器经过几十年的发展，已经由起初的分立式模拟集成电路演变为数字化信号发生器，后者通过微控制器等数字化芯片来实现信号产生，并通过三极管、运放等实现信号放大。例如，cn1937879a公布了一种数字式低功耗高精度高压发生器，通过微控制器控制系统及pwm波构成闭环控制回路，实现稳定高压；cn205844830u中公开了一种基于微控制器的信号发生器，采用微控制器模块作为计算单元，对需要产生的信号进行数学计算，可以产生指定频率和幅值的信号。

然而，进一步的研究表明，上述纯数字式的高压信号发生器通常只能起到放大电压的功能，而不能输出针对工艺需求的特定波形或者方便地对所输出的波形进行频率及幅值等参数的调控；此外，现有技术中的高压信号发生器通常结构复杂、制造成本高，难于适用于柔性电子卷到卷输送、电喷印之类的高精密应用场合。相应地，本领域亟需作出进一步的完善和改进，以便更好满足日益增长的实际需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适于波形调控的高压信号发生器，其中通过对该高压信号发生器的内部构造组成及其连接方式、尤其是多个关键组件如输入级运算放大模块、ab类共源共栅功率放大模块等的具体电路结构作出进一步的研究和设计，相应与现有的高压发生器相比不仅整个结构更为紧凑合理、稳定性和精度更高，而且还能够在输出千伏级的高压的同时，产生针对工艺需求的特定波形并且对其所需频率和幅值等参数进行有效调控，因而尤其适用于柔性电子制备之类的开环或闭环质量控制等应用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种适于波形调控的高压信号发生器，该高压信号发生器包括微控制器主控模块、dds信号发生模块、输入级运算放大模块、光耦隔离器、ab类共源共栅功率放大模块和外部信号输入模块，其特征在于：

所述微控制器主控模块的输入端与上位机进行通讯，并基于该上位机所设定的特定波形数据来产生相应的控制字，然后经由其输出端发送至所述dds信号发生模块的输入端，所述波形数据包含波形类型、波形频率和波形幅值等信息；

所述dds信号发生模块根据所述微控制主控模块发送的控制字发出所需的原始波形信号，然后经由其输出端发送至所述输入级运算放大模块；该原始波形信号依次通过该输入级运算放大模块、所述光耦隔离器和所述ab类共源共栅功率放大模块，由此放大调制成为所需的高压直流电，并最终输出及作用至负载；

所述外部信号输入模块同样接入所述输入级运算放大模块，并用于向该输入级运算放大模块输入外部调节信号；

此外，上述高压信号发生器还配备有电压反馈校正电路和采样反馈电路，其中该电压反馈校正电路的输入端与所述ab类共源共栅功率放大模块的输出端相连，它的输出端则连接至所述输入级运算放大模块，并用于对所述高压直流电的放大部分执行闭环反馈，由此校正所述ab类共源共栅功率放大模块最终输出的高压直流电；该采样反馈电路则对作用至输出负载的高压直流电进行采样，并通过ad信号调理后输入至所述微控制器主控模块的ad输入口，然后由该微控制器主控模块完成采样信号的反馈及调理，同时发送至上位机进行监视。

作为进一步优选地，对于所述输入级运算放大模块而言，其优选采用两级缓冲的运算放大器构造形式，其中：

第一级运算放大器的正向输入口与输入引脚相连，它的负向输入口串联有第一电阻然后接地；此外，在该第一级运算放大器)的输出端和负向输入口之间并联有第二电阻，并且该第二电阻和第一电阻共同构成一个闭环反馈回路，由此起到信号缓冲和调理的作用；

第二级运算放大器的正向输入口连接至所述该第一级运算放大器的输出端，同时接入所述外部信号输入模块；此外，它的负向输入口与所述电压反馈校正电路的输出端相连，并通过正、负向输入口之间的电压值比较来获得反馈值，然后将此反馈值经由该第二级运算放大器的输出端发送至所述光耦隔离器的输入端。

作为进一步优选地，对于所述ab类共源共栅功率放大模块，其优选由两级的mos管也即第一级mos管和第二级mos管共同组成，并且这两个mos管相互串联成为漏极放大电路，其中：

该第一级mos管的源极与所述高压直流电的负极相连，并串联有第一可调电阻然后接地；它的漏极与所述第二级mos管的源极连接，并且串联有第二可调电阻；它的栅极则连接有一个稳压二极管；

该第二级mos管的栅极和源极分别均布置有第一上拉电阻、第二上拉电阻和第三上拉电阻，然后一同连接另一稳压二极管；此外，该第二级mos管的漏极还布置有第一源极输出电路和第二源极输出电路，并且其中所述第一源极输出电路的漏极与所述高压直流电信号的正极相连，该第一源极输出电路的源极则用于输出最终的高压直流电。

作为进一步优选地，所述dds信号发生模块优选采用dds芯片和外围电路共同搭建而成，并通过并行数据口和地址口与所述微控制器主控模块的gpio端口相连。

作为进一步优选地，所述dds芯片通过芯片引脚输出信号，该芯片引脚串联有第三电阻然后接地；此外，该dds芯片的输出端口依次串联有第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，并且在所述第一电容、第二电容、第三电容各自的两端依次并联有第一电感、第二电感和第三电感，同时在这三个电感的两端依次并联有第五电容、第六电容、第七电容和第八电容。

作为进一步优选地，所述电压反馈校正电路优选形成了电压负反馈闭环控制的构造，并优选采用滞后校正方式执行操作，其过程如下：首先在该电压反馈校正电路的输出端取得合适的电阻分压，然后将其送入由多个电容串联而成的校正网络，并且在各电容两端各自并联合适的电阻；最后将获得的反馈信号送入所述输入级运算放大模块。

作为进一步优选地，上述高压信号发生器最终输出的高压直流电为千伏以上。

作为进一步优选地，上述高压信号发生器适用于柔性电子制造的开环或闭环质量控制场合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比不仅整个结构更为紧凑合理、稳定性和精度更高，而且还能够在输出千伏级的高压的同时，特别适用于产生针对工艺需求的各类特定波形并且对其所需频率和幅值等参数进行有效调控，同时具备便于操控、适用性强和性价比高等特点，因而尤其适用于柔性电子制备之类的开环或闭环质量控制等应用场合。

附图说明

图1是按照本发明所构建的高压信号发生器的整体构造示意图；

图2是用于显示图1中的微控制器与上位机之间进行通讯的电路原理图；

图3是用于显示图1中所示dds信号发生模块的工作原理图；

图4是更为具体地显示dds信号发生模块的示范性内部构造示意图；

图5是按照本发明一个优选实施例而设计的、输入级运算放大模块的具体构造示意图；

图6是按照本发明另一优选实施例而设计的、ab类共栅共源功率放大电路的具体构造示意图；

图7是更为具体地显示图1中所示采样反馈电路的示范性内部构造示意图；

图8是更为具体地显示图1中所示ad信号调理电路的示范性内部构造示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-微控制器主控模块，2-dds信号发生模块，3-外部信号输入模块，4-输入级运算放大模块，5-光耦隔离器，6-ab类共栅共源功率放大模块，7-ad信号调理电路，8-电压反馈校正电路，9-采样反馈电路

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的高压信号发生器的整体构造示意图。如图1所示，该高压信号发生器主要包括微控制器主控模块1、dds信号发生模块2、输入级运算放大模块4、光耦隔离器5、ab类共源共栅功率放大模块6和外部信号输入模块3等功能模块，并且还配备有电压反馈校正电路8和采样反馈电路9。

换而言之，从功能划分来看整体设备被分为人机交互部分、信号发生部分、信号放大部分以及信号反馈部分，具体也即信号发生部分完成信号波形的产生；人机交互部分完成预设波形幅值、频率、偏置等信息的设置，同时实现电路参数显示及电压电流监视等功能；信号放大部分完成信号电压的放大升至所需的高压；信号反馈部分完成负载端输出信号的采集、反馈及调理。下面将对这些组件逐一进行具体的解释说明。

微控制器主控模块1的输入端与上位机进行通讯，上位机实现人机交互功能，并将设定信号波形、频率和幅值等信息提供给微控制器主控模块；具体也即，微控制器主控模块基于该上位机所设定的特定波形数据来产生相应的控制字，然后经由其输出端发送至所述dds信号发生模块2的输入端，所述波形数据包含波形类型、波形频率和波形幅值等信息。

dds(directdigitalsynthesis，直接信号频率合成)信号发生模块2根据所述微控制主控模块1发送的控制字发出所需的原始波形信号，然后经由其输出端发送至所述输入级运算放大模块4；该原始波形信号依次通过该输入级运算放大模块4、光耦隔离器5和ab类共源共栅功率放大模块6，由此放大调制成为所需的高压直流电，并最终输出及作用至输出负载。

在此过程中，还可通过电压反馈校正电路8完成电压放大部分的闭环反馈，校正输出的信号波形。另外，还可通过采样反馈电路9完成对负载端电压电流的采集，并通过ad数模转换以及ad信号调理电路7，输入至微控制器主控模块1的ad输入口，由微控制器主控模块1进行运算和调理后，将数据发送至上位机中进行显示。

更具体地，上位机譬如可由qt平台开发完成，微控制器主控模块1例如可由tms320f28355微控制器主控芯片及其外围电路组成，并包括了rs232通讯接口、ad输入接口、dds波形数据、地址输出接口。如图2所示，它的电路可设定为232通讯接口电路，由此完成微控制器主控模块1和上位机的数据交换，其芯片可选用sp3232能，sp3232与微控制器主控模块1的scitxda和scirxda引脚相连。输出端则可采用db9接头与上位机相连接。

参看图3，按照本发明的一个优选实施例，dds信号发生模块2例如可采用ad9854型号dds芯片及其外围电路搭建而成，并可通过并行数据口如d0-d7、地址口a0-a5与微控制器主控模块的gpio端口xd0-xd7、xa0-xa5并行相连，ad9854优选采用外接晶振方式，xtal30m与refclock端口相连，fsk/bpsk/hold、shapedkeying、wrb、rdb、loup端口分别于微控制器主控模块上的gpiod0/d1/d3/d4/d5/d6/e0相连。vinn端口采用可变电阻r14和低阻值电阻r12和r15串接，通过r14来调整电路部分参数。

按照本发明的另一优选实施例，还对所述dds芯片的相关电路设计方式作出了优化。具体如图4中所示，该dds芯片通过芯片引脚输出信号，该芯片引脚串联有第三电阻r17然后接地；此外，该dds芯片的输出端口依次串联有第一电容c35、第二电容c36、第三电容c37和第四电容c38，并且在第一电容c35、第二电容c36、第三电容c37各自的两端依次并联有第一电感l9、第二电感l10和第三电感l11，同时在这三个电感的两端依次并联有第五电容c43、第六电容c44、第七电容c45和第八电容c46，电容c43、c44、c45和c46的另一端接地。

可以看出，输入级运算放大模块4、光耦隔离器5、ab类共源共栅功率放大模块6和外部信号输入模块3共同构成了本设备的核心电路。下面对它们再次给出具体的设计说明。

作为本发明的关键改进之一，按照本发明的一个优选实施例，如图5中所示，对于所述输入级运算放大模块4而言，其优选采用两级缓冲的运算放大器构造形式，其中，第一级运算放大器op2的正向输入口与输入引脚iout1in相连，它的负向输入口串联有第一电阻r58然后接地；此外，在该第一级运算放大器op2的输出端和负向输入口之间并联有第二电阻r56，并且该第二电阻r56和第一电阻r58共同构成一个闭环反馈回路，由此起到信号缓冲和调理的作用。

该输入级运算放大模块4中后级设置有第二级运算放大器op1，它的正向输入口连接至所述该第一级运算放大器op2的输出端，同时接入所述外部信号输入模块3；此外，它的负向输入口与所述电压反馈校正电路8的输出端feed-相连，并通过正、负向输入口之间的电压值比较来获得反馈值，然后将此反馈值经由该第二级运算放大器op1的输出端发送至所述光耦隔离器5的输入端，此外还可串联一个阻值较小的电阻。

此外，光耦隔离器5的三极管输出源级一端可连接+12v电源，输出漏级可与ab类共源共栅功率放大模块中的输入级mos管q4的栅极相连。

作为本发明的另一关键改进，按照本发明的另一优选实施例，如图6所示，对于所述ab类共源共栅功率放大模块6，其优选由两级的mos管也即第一级mos管和第二级mos管共同组成，并且这两个mos管相互串联成为漏极放大电路，其中：

该第一级mos管q4的源极与所述高压直流电的负极相连，并串联有第一可调电阻r48然后接地；它的漏极与所述第二级mos管q3的源极连接，并且串联有第二可调电阻r44；它的栅极则连接有一个稳压二极管；

该第二级mos管q3的栅极和源极分别均布置有第一上拉电阻r40、第二上拉电阻r39和第三上拉电阻r41，然后一同连接另一稳压二极管；此外，该第二级mos管q3的漏极还布置有第一源极输出电路q1和第二源极输出电路q2，并且其中所述第一源极输出电路q1的漏极与所述高压直流电信号的正极相连，该第一源极输出电路q1的源极则用于输出最终的高压直流电。

在工作时，当q4栅极输入电压上升时，q3和q4漏极电流减小，并小于由r39和r41决定的静态电流，其剩余电流对q2栅极电容充电，使q2栅极电压上升，作为放大器输出的q2的源极电压跟随上升；当输入电压下降时，q3，q4漏极电流大于静态电流，则使q2栅极电压拉低于源极电压，q2关断同时d10导通，q3的漏极电压下降，同时通过d10传到输出端，使输出电压跟随q3漏极电压下降。

按照本发明的另一优选实施例，所述电压反馈校正电路8优选形成了电压负反馈闭环控制的构造，并优选采用滞后校正方式执行操作，其过程如下：首先在该电压反馈校正电路的输出端取得合适的电阻分压，然后将其送入由多个电容串联而成的校正网络，并且在各电容两端各自并联合适的电阻；最后将获得的反馈信号送入所述输入级运算放大模块4。

如图7和图8所示，采样反馈电路9优选可由电阻分压产生，主要包括电压信号调理电路由滤波电路，可编程增益放大器电路，光耦隔离电路，电阻分压电路和滤波电路等元件，其中电阻分压产生的电压信号依次与滤波电路，可编程增益放大器电路，光耦隔离电路，电阻分压电路，滤波电路连接，最后与微控制器中央控制器的ad端口连接。其中滤波电路为阻容滤波电路；可编程增益放大器为pga204，其有四种增益，分别为1、10、100、1000；光耦为线性光耦hcnr201，其可将输出的高压与微控制器模块1分开，再经过如图8所示的ad信号调理电路7后得到微控制器主控模块1的ad采集电压范围内，由微控制器主控模块1进行数模转换及数据分析。

下面将具体说明按照本发明的上述高压信号发生器的工作流程。

通过电脑端上位机输入所需的高压波形的数据信息，信号波形类型、频率和幅值信息等波形数据通过通讯方式传送给微控制器主控模块，微控制器主控模块经过内部分析、处理输出波形、频率及幅值信息控制字控制dds信号发生模块发出所需波形。再经过输入级运算放大电路模块、光耦隔离器、ab类共源共栅功率放大模块放大信号波形至所需高压，电压反馈校正电路通过负反馈校正的方法稳定输出的高压，采样反馈电路从输出口采样，完成对负载端电压电流的采集，经过ad信号调理输入至微控制器主控模块的ad输入口，运算和调理后，将数据发送至上位机中进行监视。

综上，按照本发明的高压信号发生器硬件电路结构简单，可靠，稳定性好，精度高；采用微控制器模块作为波形计算模块，可以产生指定频率和幅值的正弦、方波、三角波等高压信号；此外，本发明能够在保证信号精度、稳定性、经济成本的前提下，获得内部构造更为合理、稳定性和精度高、使用方便的高压发生器，而且还能够在输出千伏级的高压的同时，特别适用于产生针对工艺需求的各类特定波形并且对其所需频率和幅值等参数进行有效调控，因而尤其适用于柔性电子制备之类的开环或闭环质量控制等应用场合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。