一种功率放大装置的制作方法

本实用新型涉及电能转换领域，特别是涉及一种功率放大装置。

背景技术：

功率放大装置是一种以输出较大功率为目的的装置。当信号发生器的额定输出电压和功率不能驱动负载时，就在信号发生器的输出端连接功率放大装置来对信号发生器的输出电压和功率进行放大处理。功率放大装置一般可以直接驱动负载，带载能力强，可以输出稳定的功率，在整个测试实验和实际产品应用中起到了至关重要的作用。

但是，现有技术中的功率放大装置不能调节其输出的pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)信号的功率的大小，例如图1所示，图1为现有技术中的一种功率放大装置的结构示意图，该功率放大装置包括功率放大模块和功率调整电源vcc_20v，功率放大模块的输入信号vin为信号发生器输出的pwm信号，经过vcc_12v的电压拉升后来驱动开关管q2导通或者关断，进而配合与功率调整电源vcc_20v实现功率的放大，但是功率调整电源vcc_20v是固定的，则放大的功率也是固定的，因此，无法满足不同功率需求的负载。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种功率放大装置，该装置中的功率调整电源输出的可调电压是可以变化的，因此，该装置的输出功率可以变化，从而可以满足负载对不同功率的需求。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种功率放大装置，该装置包括：

用户指令接收模块，用于接收第一用户指令；

与所述用户指令接收模块的输出端连接的处理器，用于基于所述第一用户指令输出控制信号；

控制输入端与所述处理器的输出端连接的功率调整电源，用于基于所述控制信号输出相应的可调电压；

功率调节输入端与所述功率调整电源的输出端连接的功率放大模块，用于基于接收到的pwm信号及所述可调电压实现功率放大。

优选地，所述用户指令接收模块包括：

按键模块，用于输出控制信号模式指令或者频率模式指令；

旋转编码器，用于在接收到所述控制信号模式指令时进入控制信号调节模式，接收所述第一用户指令并把所述第一用户指令发送给所述处理器；在接收到所述频率模式指令时进入频率调节模式，接收所述第二用户指令并把所述第二用户指令发送给所述处理器。

优选地，所述功率调整电源包括：

电源输入端与电源连接，反馈端与所述处理器的输出端连接，输出端与所述功率放大模块的功率调节输入端连接的直流/直流dc/dc转换模块，用于基于所述控制信号对电源输入端的电压进行转换，并输出相应的所述可调电压。

优选地，所述功率放大模块包括：

电流放大器，用于对所述pwm信号进行电流放大，得到放大后的所述pwm信号；

控制端与所述电流放大器的输出端连接，第一端与所述功率调整电源的输出端连接，第二端接地的开关管，用于基于放大后的所述pwm信号导通或者关断，以配合所述可调电压进行功率放大。

优选地，还包括：

输入端与所述开关管的第二端连接，输出端与所述处理器连接的电流检测反馈电路，用于采集所述开关管的工作电流；所述工作电流与所述负载上的电流正相关；

所述处理器还用于将所述工作电流与预先设定的标准电流进行比较，若所述工作电流与所述标准电流不相等，则调整所述控制信号，以对所述可调电压进行调节，直至所述工作电流与所述标准电流相等。

优选地，所述电流检测反馈电路包括：

第一端与所述开关管的第二端连接，第二端接地的电阻；

第一端与所述电阻的第一端连接的输出端连接的磁珠，用于消除所述电阻的第一端的电压的杂波，输出滤波后的电压；

输入端与所述磁珠的第二端连接，输出端与所述处理器连接的运算放大器，用于对所述滤波后的电压进行放大处理，得到与所述工作电流呈线性相关的工作电压。

优选地，还包括：

输入端与所述处理器的数据通信输出端连接的显示屏，用于显示所述pwm信号的频率、所述控制信号、所述可调电压及所述功率放大模块的当前输出功率中的一种或多种的组合。

本实用新型提供了一种功率放大装置，包括用户指令接收模块、处理器、功率调整电源以及功率放大模块，用户可以根据当前负载所需的功率对用户指令接收模块发送第一用户指令，从而使处理器基于第一用户指令输出控制信号，以调整功率调整电源输出的可调电压，功率放大模块能够基于可调电压及pwm信号实现功率放大，由于功率调整电源输出的可调电压是可以变化的，从而满足了负载对不同功率的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为现有技术中的一种功率放大装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种功率放大装置的结构示意图；

图3为本实用新型提供的一种处理器的结构示意图；

图4a为本实用新型提供的一种用户指令接收模块中的旋转编码器的结构示意图；

图4b为本实用新型提供的一种用户指令接收模块中的按键模块的结构示意图；

图4c为本实用新型提供的一种用户指令接收模块中的连接器的结构示意图；

图4d为本实用新型提供的一种用户指令接收模块中的按键板接口的结构示意图；

图5为本实用新型提供的一种dc/dc转换模块的结构示意图；

图6为本实用新型提供的一种具体的功率放大装置的结构示意图；

图7为本实用新型提供的另一种功率放大装置的结构示意图；

图8为本实用新型提供的一种功率放大装置恒流输出的调节过程的流程图；

图9为本实用新型提供的一种电流检测反馈电路中的运算放大器的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种功率放大装置，该装置中的功率调整电源输出的可调电压是可以变化的，因此，该装置的输出功率可以变化，从而可以满足负载对不同功率的需求。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种功率放大装置，请参照图2，图2为本实用新型提供的一种功率放大装置的结构示意图，该功率放大装置包括：

用户指令接收模块1，用于接收第一用户指令；

与用户指令接收模块1的输出端连接的处理器2，用于基于第一用户指令输出控制信号；

控制输入端与处理器2的输出端连接的功率调整电源3，用于基于控制信号输出相应的可调电压；

功率调节输入端与功率调整电源3的输出端连接的功率放大模块4，用于基于接收到的pwm信号及可调电压实现功率放大。

现有技术中的功率放大装置只能输出固定的功率，而在实际应用中，不同的负载需要不同的功率，显然，现有技术中的功率放大装置无法满足负载对不同功率的需求，申请人考虑到现有技术中的功率放大装置包括功率放大模块和功率调整电源，如图1所示，但是，功率调整电源3是固定的vcc_20v，这导致功率放大装置的输出功率不能调节。

为解决上述技术问题，本申请中，将功率调整电源3设计成为输出电压可调的装置，并且增加了用户指令接收模块1和处理器2，用户可以根据当前负载所需要的功率对用户指令接收模块1发送第一用户指令，处理器2接收到第一用户指令后能够输出对应的控制信号，从而可以控制功率调整电源3输出相应的可调电压，功率放大模块4基于可调电压和pwm信号实现功率放大，具体地，第一用户指令不同时，处理器2输出的控制信号便不同，因此，功率调整电源3输出的可调电压便不同，基于此，本申请中的功率放大装置能够满足负载对不同功率的需求。

综上，本申请的功率放大装置中的功率调整电源3输出的可调电压是可以变化的，因此，该装置的输出功率可以变化，从而可以满足负载对不同功率的需求。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，处理器2还用于输出pwm信号。

申请人考虑到现有技术中的功率放大装置接收到的pwm信号是由装置外部的信号发生器发出，用户需要自行将信号发生器和功率放大装置连接，不便于用户操作，因此，本申请实现了对处理器2的复用，本申请中的处理器2不仅能够基于第一用户指令输出控制信号，还能够输出pwm信号，直接将处理器2的信号输出端与功率放大装置的信号输入端连接即可，无需外加一个信号发生器，便于用户使用。

此外，本申请中的处理器2可以为单片机，具体地，处理器可以为51单片机或stm32单片机，当处理器2为51单片机时，输出的pwm信号的高电平为5v，当处理器2为stm32单片机时，输出的pwm信号的高电平为3.3v，如图3所示，图3为本实用新型提供的一种处理器的结构示意图，图中的处理器为stm32单片机，型号为stm32f103vct6，能够输出不同频率，并且能够调节占空比的pwm信号，该单片机可以实现1hz-72mhz频率范围的输出，并且能够满足多种频率信号的功率放大，本申请中的处理器最高支持频率为20mhz的信号的放大，当然，本申请对选用哪种单片机作为处理器不做限定。

作为一种优选的实施例，用户指令接收模块1还用于接收第二用户指令；

处理器2还用于基于第二用户指令对输出的pwm信号的频率进行调节。

现有技术中的功率放大装置接收到的pwm信号的频率是单一的，但是，实际应用中不同的负载需要功率放大装置输出的频率不同，显然，现有技术中的功率放大装置无法满足负载对不同频率的需求，又本申请中实现了对处理器2的复用，处理器2可以直接输出pwm信号到功率放大装置，因此，本申请中，用户可以通过对用户指令接收模块1发送第二用户指令，以对处理器2输出的pwm信号的频率进行调节，从而满足负载对功率放大装置的输出信号的不同频率的需求，同时便于用户操作。

作为一种优选的实施例，用户指令接收模块1包括：

按键模块，用于输出控制信号模式指令或者频率模式指令；

旋转编码器，用于在接收到控制信号模式指令时进入控制信号调节模式，接收第一用户指令并把第一用户指令发送给处理器2；在接收到频率模式指令时进入频率调节模式，接收第二用户指令并把第二用户指令发送给处理器2。

本实施例中，考虑到用户指令接收模块1不仅需要接收第一用户指令，还要接收第二用户指令，而第一用户指令的作用是对功率放大装置输出的功率进行调节，第二用户指令的作用是对功率放大装置输出的频率进行调节，为了便于用户能够根据需要分别对功率放大装置的输出功率和输出频率做出调整，本申请中的用户指令模块包括按键模块和旋转编码器，用户通过按键模块可以使用户旋转编码器处于不同的模式，当用户操作按键模块使其输出控制信号模式指令时，旋转编码器进入控制信号调节模式，此时旋转编码器接收用户的第一用户指令，处理器2对功率调整电源3输出的可调电压进行调节，从而实现对功率放大模块4的输出功率的调整，当用户操作按键模块使其输出频率模式指令时，旋转编码器进入频率调节模式，此时旋转编码器接收用户的第二用户指令，处理器2对自身输出的pwm信号进行调节，从而实现对功率放大模块4的输出频率的调整，且操作简单。

此外，由于旋转编码器输出的第一用户指令和第二用户指令均为旋转编码器旋转的角度，是模拟信号，而处理器2只能对数字信号进行处理，本申请中的处理器2内部的模数转换模块可以将旋转编码器发送的第一用户指令和第二用户指令分别转换为对应的数字信号，从而分别基于数字量的第一用户指令和数字量的第二用户指令输出不同的控制信号。

具体地，例如图4a所示，图4a为本实用新型提供的一种用户指令接收模块中的旋转编码器的结构示意图，图4a中旋转编码器的引脚a、b、c和图4c中的引脚a、b、c分别对应连接，图4c为本实用新型提供的一种用户指令接收模块中的连接器的结构示意图，图4b中按键模块的引脚k1、k2和图4c中的引脚k1、k2分别对应连接，图4b为本实用新型提供的一种用户指令接收模块中的按键模块的结构示意图,图4c中连接器h1的各个引脚和图4d中的按键板接口的各个引脚分别对应连接，图4d为本实用新型提供的一种用户指令接收模块中的按键板接口的结构示意图,图4d中的按键板接口中的引脚和处理器2按键引脚分别对应连接，图4b中的电路包括key1、key2两个按键，例如，当用户在例如2s内先按下key1，再按下key2时，按键模块输出控制信号模式指令，用户对旋转编码器进行操作，即发送第一用户指令，便可以通过处理器2对功率调整电源3输出的可调电压进行调节，从而实现对功率放大模块4的输出功率的调整；当用户在例如2s内先按下key2，再按下key1时，按键模块输出频率模式指令，用户对旋转编码器进行操作，即发送第二用户指令便可以通过处理器2对处理器2自身输出的pwm信号的频率进行调节，从而实现对功率放大模块4的输出频率的调整。

例如，在对功率放大装置的输出功率进行调节时，处理器2接收到的第一用户指令为旋转编码器旋转一圈的信号后，可以将控制信号增加一个值，具体地，可以定义控制信号为dac，dac的起始值为0，旋转编码器每旋转一圈，dac增大一个值，即增大1/4096*3.3＝0.0008v，其中，4096为处理器内部的分辨率，用户可以通过将旋转编码器旋转不同的圈数，从而使处理器2输出不同的控制信号。

此外，图4b中的两个按键还可以分别控制功率放大装置启动和结束工作，例如，当功率放大装置处于停止工作状态时，只按下key1，功率放大装置启动，开始工作，当功率放大装置处于工作状态时，只按下key2，功率放大装置停止工作。

当然，本申请对按键模块中各个按键的具体的功能不作限定。

作为一种优选的实施例，功率调整电源3包括：

电源输入端与电源连接，反馈端与处理器2的输出端连接，输出端与功率放大模块4的功率调节输入端连接的dc/dc(directcurrent-directcurrentconverter，直流/直流)转换模块u7，用于基于控制信号对电源输入端的电压进行转换，并输出相应的可调电压。

本实施例中采用dc/dc转换模块u7作为功率调整电源3，其中，dc/dc转换模块u7可以但不限定如图5所示，图5为本实用新型提供的一种dc/dc转换模块的结构示意图，考虑到现有技术中的dc/dc转换模块是通过调节内部的电阻的阻值，从而对输出电压进行调节，这种方法不便于操作，为解决上述问题，本申请中在dc/dc转换模块u7的反馈端输入控制信号，从而实现输出电压的可调，控制方法简单易操作，其中，dc/dc转换模块u7的反馈端为功率调整电源3的控制输入端。

此外，dc/dc转换模块u7的电源输入端的电源可以为交流电网输出的最大值为31v的交流电，也可以为直流电源输出的小于36v的直流电，本申请对此不作限定。

此外，dc/dc转换模块u7输出的可调电压有如下表达式：vcc_adj＝(1.23-v_dac)*(1+r44/r45)，其中，vcc_adj即为dc/dc转换模块u7输出的可调电压，v_dac为控制信号对应的电压值，r44和r45为dc/dc转换模块u7的反馈端连接的两个电阻，且dc/dc转换模块u7输出的可调电压的最大值由r44和r45的阻值的比值决定，具体地，图5中的r44的阻值为47k欧，r45的阻值为2k欧，经计算，r44和r45的阻值的比值为23.5，经上述可调电压的表达式计算，dc/dc转换模块u7输出的可调电压的最大值即为30v。

此外，图5中dc/dc转换模块u7的输入端和输出端还分别连接了滤波模块，能够分别对输入及输出的电压信号进行滤波。

作为一种优选的实施例，功率放大模块4包括：

电流放大器u4，用于对pwm信号进行电流放大，得到放大后的pwm信号；

控制端与电流放大器u4的输出端连接，第一端与功率调整电源3的输出端连接，第二端接地的开关管q2，用于基于放大后的pwm信号导通或者关断，以配合可调电压进行功率放大。

本实施例中，考虑到现有技术中的电流放大模块只对一路的pwm信号进行电流放大，放大后的信号不够稳定，因此，本申请采用了电流放大器u4对pwm信号进行电流放大，本申请中的电流放大器u4集成了两路输入，能够对两路pwm信号进行放大，放大能力更强，输出的放大后的pwm信号也更加稳定，能够更有效的驱动开关管q2。

此外，本申请中的开关管q2可以基于放大后的pwm信号进行导通或者关断，从而配合可调电压进行功率放大，使功率放大模块4的输出频率和pwm信号的频率对应。开关管q2可以但不限定选用nmos(negativechannel-metal-oxide-semiconductor，n型金属氧化物半导体)，nmos具有低内阻，高耐压至500v，高耐流至18a的特性，能够实现0-30v的功率范围的调节。此外，本申请中空载输出时电压最高，不超过120v，电流不超过100ma，因此，不会损坏q2。

如图6所示，图6为本实用新型提供的一种具体的功率放大装置的结构示意图，图中的电流放大器u4能够将接收到的pwm信号放大为峰峰值12v的方波或者正弦波信号，电流放大器u4和开关管q2的控制端之间还连接了滤波模块，能够对放大后的pwm信号进行滤波，开关管q2的第一端与负载之间连接了选频模块以及阻抗匹配模块，能够使输出的信号能够传传输至负载，并且减小了负载端信号对功率放大模块4的影响，提升了能源效益。

此外，考虑到虽然现有技术中的功率调整电源和功率放大模块之间连接了扼流圈，减小了负载对功率调整电源的干扰，但是系统仍旧存在不稳定的问题，地端的电平极易受到干扰，为解决上述技术问题，本申请在功率调整电源3和功率放大模块4之间连接了共模电感，共模电感的阻抗为z＝2×π×f×l，其中，f为通过共模电感的信号的频率，l为共模电感的电感值，由此可知，共模电感的阻抗和频率f成正比，频率越高，共模电感的阻抗越大，高频信号难通过共模电感，因此，共模电感能够防止功率放大模块4中的高频噪声串入功率调整电源3，使负载部分的干扰能够更有效的滤除，起到保护功率调整电源3的作用，使系统更加稳定。

作为一种优选的实施例，还包括：

输入端与开关管q2的第二端功率放大模块4连接，输出端与处理器2连接的电流检测反馈电路5，用于采集开关管q2的工作电流；工作电流与负载上的电流正相关；

处理器2还用于将工作电流与预先设定的标准电流进行比较，若工作电流与标准电流不相等，则调整控制信号，以对可调电压进行调节，直至工作电流与标准电流相等。

本实施例中，考虑到在实际应用中一些应用场景需要功率放大装置恒流输出，例如，当功率放大装置应用于超声波治疗仪中时，需要恒功率输出，但是现有技术中的功率放大装置无法获取其输出电流的大小，不能确定是否是恒流输出，为解决上述技术问题，申请人考虑到开关管q2的工作电流和负载的电流呈正相关，且对开关管q2的工作电流的检测较为方便，因此，本申请在开关管q2的第二端连接了电流检测反馈电路5，能够采集开关管q2的工作电流，如图7所示，图7为本实用新型提供的另一种功率放大装置的结构示意图，处理器2将采集到的开关管q2的工作电流和预先设定的当前需要恒流输出时开关管q2的标准电流进行比较，如果采集到的开关管q2的工作电流和标准电流不相等，处理器2内部能够调节输出的控制信号，从而对功率调整电源3输出的可调电压进行调节，在这个过程中电流检测反馈电路5仍持续对开关管q2的工作电流进行采集，直至采集到的工作电流和标准电流相等，使功率放大装置实现恒流输出。

此外，实际应用中一些应用场景也需要功率放大装置恒功率输出，因此，功率放大装置中还设置了功率检测模块以及校准按键，在功率放大装置实际应用之前，会先对其进行校准，当功率放大装置工作在校准状态时，先将功率放大装置的输出端连接负载，通过功率检测模块观察输出功率并按下校准按键，将此时的输出功率对应的控制信号和电流检测反馈电路5检测到的开关管q2的工作电流保存至处理器2，具体地，当功率放大装置工作在校准状态时会对其输出的多个功率值进行校准，在实际应用中，当需要功率放大装置的输出功率为预先校准过的功率值时，处理器2直接调用该功率对应的校准时存储的控制信号即可。

当然，功率放大装置具体为恒功率输出或者恒流输出由实际应用决定。

作为一种优选的实施例，若工作电流与标准电流不相等，则调整控制信号，以对可调电压进行调节，直至工作电流与标准电流相等，包括：

若工作电流大于标准电流，则通过调整控制信号来减小可调电压，直至工作电流与标准电流相等；若工作电流小于标准电流，则通过调整控制信号来增大可调电压，直至工作电流与标准电流相等。

申请人考虑到开关管q2的工作电流和功率调整电源3输出的可调电压正相关，因此，可以通过调节可调电压从而调节开关管q2的工作电流，以达到调节输出功率的目的，具体地，如图8所示，图8为本实用新型提供的一种功率放大装置恒流输出的调节过程的流程图，若工作电流不等于标准电流，且当工作电流大于标准电流时，调整控制信号使可调电压减小，从而减小功率放大装置的输出电流，当工作电流小于标准电流时，调整控制信号使可调电压增大，从而增大功率放大装置的输出电流，直至工作电流等于标准电流，具体地，例如，增大控制信号使可调电压减小，减小控制信号使可调电压增大，用户可以通过对处理器2内部的程序进行设定从而进行这些操作，便于用户使用。

作为一种优选的实施例，电流检测反馈电路5包括：

第一端与开关管q2的第二端连接，第二端接地的电阻r22；

第一端与电阻的第一端连接的输出端连接的磁珠l5，用于消除电阻r22的第一端的电压f_v1的杂波，输出滤波后的电压f_v1_1m；

输入端与磁珠l5的第二端连接，输出端与处理器2连接的运算放大器，用于对滤波后的电压f_v1_1m进行放大处理，得到与工作电流呈线性相关的工作电压f_v1_adc。

实际应用中，在开关管q2的第二端与地之间连接了电阻r22，如图6所示，电阻的阻值较小，能够将开关管q2的工作电流转换为电压f_v1，便于处理器2对工作电流进行调节，本申请还设置了磁珠l5，能够将电阻r22两端电压f_v1的杂波滤除，又考虑到滤波后的电压信号f_v1_1m较小，因此，磁珠l5的第二端连接了运算放大器，如图9所示，图9为本实用新型提供的一种电流检测反馈电路中的运算放大器的结构示意图，该运算放大器能够对滤波后的电压信号f_v1_1m进行放大处理，得到与工作电流呈线性相关的工作电压f_v1_adc，便于处理器2对工作电流进行调节。

作为一种优选的实施例，还包括：

输入端与处理器2的数据通信输出端连接的显示屏6，用于显示pwm信号的频率、控制信号、可调电压及功率放大模块4的当前输出功率中的一种或多种的组合。

申请人考虑到现有技术中的功率放大装置不具备显示功能，用户无法及时获知功率放大装置内部的各个数据，例如pwm信号的频率、控制信号、可调电压及功率放大模块4的当前输出功率，为解决上述问题，本申请在处理器2的数据通信输出端连接了显示屏6，能够将功率放大装置内部的各个数据直观地展现给用户，便于用户获取当前功率放大装置的工作状态。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。