ЦИФРОВОЙ УСИЛИТЕЛЬ С УПРАВЛЕНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
DIGITAL AMPLIFIER WITH CONTROL USING DIRECT AND FEEDBACK LINKS

Область техники
Настоящее изобретение относится к цифровому усилителю, способу обеспечения требуемой электрической выходной мощности при помощи цифрового усилителя и компьютерному программному продукту.
Уровень техники
о
Магнитно-резонансная томография (МРТ) представляет собой современную технологию формирования изображений, которая обеспечивает визуализацию объектов в разрезе, например, тела человека, с беспрецедентным контрастированием тканей. МРТ основана на принципах ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), метода спектроскопии, используемого учеными для получения данных о химических и физических свойствах молекул. В основе ЯМР и МРТ лежит тот факт, что атомные ядра с ненулевым спином имеют магнитный момент. В медицинской томографии обычно исследуют ядерную модель атомов водорода, поскольку они находятся в организме в высоких концентрациях, например, в воде. Ядерный спин элементарных частиц способен резонировать на резонансной частоте, если приложить сильное постоянное магнитное поле (поле В). Частота магнитного резонанса (МР) определяется уровнем магнитного потока. В МРТ сканере магнитное поле соответствует выбранной резонансной частоте только в одном положении в пространстве. Постепенно изменяя данное положение, можно измерять изображение.
Необходимое сильное магнитное поле постоянного тока обычно создают сверхпроводящие магниты. Для того чтобы изменять данное поле так, чтобы оно соответствовало заданной радиочастоте только в одном положении, создают градиент поля при помощи градиентных катушек. Таким образом, градиент поля может изменяться со временем, чтобы обеспечить сканирование. Диапазон частот в градиентных катушках низкий и достигает максимума, равного 10 кГц.
Обычно в МРТ устройстве градиентные катушки соединены с соответствующими градиентными усилителями. Градиентные катушки приводятся в действие электрическими токами в несколько сотен ампер, которые требуют точного управления в диапазоне, измеряемом миллиамперами, чтобы обеспечить получение МРТ изображений с высоким качеством и точностью.
Для этого требуется точное управление выходной мощностью градиентного усилителя, которое могут обеспечить, например, схемы управления, использующие контуры обратной связи.
Например, US 6285304 В1 раскрывает схему аналого-цифрового преобразователя и устройство управления для градиентного усилителя системы магнитно-резонансной томографии.
Существенным недостатком таких устройств управления для градиентных усилителей является то, что данные устройства управления требуют высокоточной электроники, такой как высокоточные аналого-цифровые преобразователи. Таким образом, требования высокой точности, разрешения и стабильности не позволяет использовать коммерческие аналого-цифровые или цифро-аналоговые преобразователи для создания градиентного усилителя с полностью цифровым управлением для МРТ применений.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает цифровой усилитель для обеспечения требуемой электрической выходной мощности, причем усилитель содержит источник питания для генерирования электрической выходной мощности, причем усилитель дополнительно содержит цифровой вход, приспособленный для приема цифрового входного сигнала, причем цифровой входной сигнал характеризует требуемый уровень электрической выходной мощности, и генератор опорной мощности для генерирования аналоговой опорной мощности, управляемый цифровым входным сигналом. Усилитель дополнительно содержит элемент измерения мощности, приспособленный для измерения разности мощности между электрической выходной мощностью, обеспечиваемой источником питания, и аналоговой опорной мощностью. Кроме того, предусмотрен аналого-цифровой преобразователь, который приспособлен для преобразования разности мощности в цифровое значение разности мощности. Кроме того, усилитель содержит устройство комбинирования, приспособленное для выдачи комбинированного цифрового сигнала посредством добавления цифрового значения разности мощности к цифровому значению, вводимому в генератор опорной мощности для генерирования аналоговой опорной мощности, причем источник питания приспособлен для обеспечения электрической мощности, скорректированной на разность мощности, определяемую цифровым входным сигналом и комбинированным цифровым сигналом.
Варианты осуществления в соответствии с изобретением имеют преимущество в том, что для обеспечения высокоточного управления выходной мощностью усилителя вместо дорогих высокоточных электрических элементов можно использовать электронные элементы с более значительными допусками, относящимися к их точности. Существующие конструкции усилителей обычно требуют высокоточных аналого-цифровых преобразователей или высокоточных цифро-аналоговых преобразователей. Для увеличения разрешения данных преобразователей имеется ряд технологий цифровых фильтров, однако это приводят к значительному времени задержки таких усилителей.
Аналого-цифровой преобразователь цифрового усилителя в соответствии изобретением должен только преобразовать разность между выходным сигналом и аналоговой опорной мощностью. Другими словами, аналоговая опорная мощность уменьшает динамический диапазон выходного сигнала до меньшего динамического диапазона для сигнала обратной связи, так что аналого-цифровой преобразователь, используемый для преобразования разности мощности в цифровое значение разности мощности, не обязан быть высокоточным аналого-цифровым преобразователем: благодаря уменьшенному динамическому диапазону разности мощности можно снизить требования к точности данного аналого-цифрового преобразователя.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, усилитель дополнительно содержит контроллер прямой связи, приспособленный для цифрового управления генератором опорной мощности посредством эмулирования характеристик генерирования выходной мощности источника питания. Другими словами, контроллер прямой связи, предпочтительно, принимает цифровой входной сигнал, характеризующий требуемый уровень электрической выходной мощности, и выдает в генератор опорной мощности видоизмененный цифровой сигнал прямой связи, который характеризует режим усиления источника питания. Предпочтительно, контроллер прямой связи выполнен с возможностью эмулировать с высокой точностью динамический режим усиления источника питания. Использование контроллера прямой связи, который выполнен с возможностью с высокой точностью эмулировать источник питания, имеет преимущество в том, что дополнительно уменьшается динамический диапазон разности мощности, предусмотренный для аналого-цифрового преобразователя, что дополнительно уменьшает ограничения, относящиеся к точности данного аналого-цифрового преобразователя, чтобы обеспечить точное оцифрованное значение разности мощности. Хотя изобретение можно также осуществлять и без точного эмулирования режима усиления преобразователя мощности.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, контроллер прямой связи приспособлен для эмулирования характеристик генерирования выходной мощности источника питания, скорректированных на разности по времени задержки между цифровым входным сигналом и цифровым сигналом разности мощности. В другом варианте осуществления, разность между цифровым входным сигналом и комбинированным цифровым сигналом выдается из источника питания в контроллер прямой связи. Это позволяет контроллеру прямой связи корректировать себя, например, на постоянные ошибки, такие как отклонения в режиме усиления источника питания.
Другая возможность обеспечить высокоточное эмулирование характеристик генерирования выходной мощности источника питания состоит в том, что контроллер прямой связи дополнительно приспособлен для выполнения эмулирования характеристик генерирования выходной мощности источника питания в зависимости от оперативных параметров источника питания, причем оперативные параметры выбираются из группы, включающей в себя температуру элемента источника питания и длительность работы элемента источника питания. Другими словами, контроллер прямой связи содержит вход, на который он принимает данные оперативные параметры источника питания. Продолжительность работы элементов источника питания или изменения температуры отдельных электронных элементов источника питания могут изменять характеристики генерирования выходной мощности источника питания предсказуемым способом, так что даже по истечении длительного периода времени контроллер прямой связи способен с высокой точностью эмулировать характеристики генерирования выходной мощности источника питания.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, генератор опорной мощности содержит комплект выключателей, в цифровой форме управляемых цифровым входным сигналом, причем каждый выключатель управляет электрическим выходном усилителя, причем генератор опорной мощности приспособлен для определения уровня аналоговой опорной мощности посредством объединения электрического выхода коммутируемых усилителей. Предпочтительно, комплект выключателей в цифровой форме управляется цифровым выходным сигналом контроллера прямой связи.
Использование таких выключателей, управляющих усилителем, когда уровень аналоговой опорной мощности определяется посредством объединения электрического выхода данных коммутируемых усилителей, осуществляется так, что точное опорное напряжение можно быть усилено простыми усилителями, причем в зависимости от состояния выключателей усиленные сигналы могут поступать в аналоговый сумматор, такой, например, как прецизионный операционный усилитель. Другими словами, вместо использования довольно дорогого и сложного высокомощного генератора опорной мощности, который способен имитировать выходной ток, который может иметь амплитуды до 1000 А, можно использовать простые маломощные усилители, которые, тем не менее, обеспечивают генерирование опорной мощности с высокой точностью и высоким разрешением. При этом необходимо отметить, что хотя желательно по мере возможности уменьшить динамический диапазон сигнала разности мощности, даже в том случае если аналоговая опорная мощность неточно эмулирует электрическую выходную мощность, обеспечиваемую источником питания, требования к точности аналого-цифрового преобразователя заключаются только в том, чтобы аналого-цифровой преобразователь был способен точно преобразовывать в цифровую форму изменения в разности мощности, которая находится самое большее в пределах нескольких сотен миллиампер с точностью в пределах нескольких миллиампер, которая может быть обеспечена при использовании многих современных аналого-цифровых преобразователей, доступные в настоящее время на коммерческой основе.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, элемент измерения мощности содержит элемент, генерирующий выходное магнитное поле, приспособленный для индуктивного генерирования магнитного поля из электрической выходной мощности. Элемент измерения мощности дополнительно содержит элемент, генерирующий опорное магнитное поле, приспособленный для индуктивного генерирования магнитного поля из аналоговой опорной мощности, причем генерируемое опорное магнитное поле направлено в противоположном направлении относительно выходного магнитного поля. Кроме того, элемент измерения мощности содержит элемент обнаружения магнитного поля, приспособленный для определения разности мощности между электрической выходной мощностью и аналоговой опорной мощностью посредством измерения совмещения выходного магнитного поля и опорного магнитного поля.
Использование таких элементов измерения мощности имеет преимущество в том, что разность мощности между электрической выходной мощностью, обеспечиваемой источником питания, и аналоговой опорной мощностью может быть измерена без необходимости использования дополнительных вычитающих устройств, вычитающих аналоговую опорную мощность из электрической выходной мощности, обычно обнаруживаемой при помощи датчика тока. Другими словами, вычитание выходного сигнала и аналогового сигнала опорной мощности осуществляется прямо в элементе измерения мощности посредством совмещения магнитных полей, генерируемых электрической выходной мощностью и аналоговой опорной мощностью. Датчик тока или элемент обнаружения магнитного поля измеряет результирующее суммарное магнитное поле, создаваемое током электрическим выходным током и токами опорной мощности, проходящими через такой датчик.
Элементом, генерирующим выходное магнитное поле, и элементом, генерирующим опорное магнитное поле, может быть, например, всего лишь один провод, снабжаемый электрической выходной мощностью и аналоговой опорной мощностью, соответственно, причем данные провода расположены параллельно и при этом ток электрической выходной мощности проходит в противоположном направлении относительно электрического тока аналоговой опорной мощности. Как вариант, элемент, генерирующий выходное магнитное поле, и/или элемент, генерирующий опорное магнитное поле, могут представлять собой катушки, снабжаемые в противоположных направлениях электрическим выходным током и/или электрическим опорным током.
Элементом обнаружения магнитного поля может быть также воспринимающая катушка или датчик Холла или даже СКВИД-датчик, который, однако, требует дорогого охлаждения. Однако, поскольку МРТ системы обычно содержат высокомощные криогенные охлаждающие системы, такое охлаждение практически осуществимо.
При этом необходимо отметить, что изобретение не ограничено только МРТ системами, и может быть также применимо к любым цифровым усилителям, которые требуют высокоточного управления выходной мощностью с использованием обратной связи. Это включает усилитель для использования в применениях высокоточных сервоустройств, например, таких, которые используются в производственном оборудовании для установок совмещения и последовательного шагового мультиплицирования на пластину или других высокоточных технологиях изготовления материалов.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, элемент, образующий опорное магнитное поле, представляет собой множество комплектов катушечных обмоток, причем каждый комплект катушечной обмотки содержит, по меньшей мере, одну катушечную обмотку, причем генератор опорной мощности приспособлен для генерирования опорного уровня магнитного поля посредством выбора количества комплектов катушечных обмоток для подачи опорного тока через комплекты катушечных обмоток, причем количество выбранных комплектов катушечных обмоток определяется из уровня аналоговой опорной мощности. Другими словами, опорный ток генерируется, предпочтительно, одним источником опорного тока. Просто выбирая количество выбранных комплектов катушечных обмоток, можно генерировать опорное магнитное поле и управлять им, увеличивая или уменьшая количество выбранных катушечных обмоток. Таким образом, не требуется источник опорного тока высокой мощности, при этом, тем не менее, можно эмулировать характеристики генерирования электрической выходной мощности источника питания.
В другом аспекте, изобретение относится к способу обеспечения требуемой электрической выходной мощности при помощи цифрового усилителя, причем усилитель содержит источник питания для генерирования электрической выходной мощности, причем способ включает прием усилителем цифрового входного сигнала, причем цифровой входной сигнал характеризует требуемый уровень электрической выходной мощности. Способ дополнительно включает генерирование генератором опорной мощности аналоговой опорной мощности, причем генерированием опорной мощности управляет цифровой входной сигнал. Элемент измерения мощности измеряет разность мощности между электрической выходной мощностью, обеспечиваемой источником питания, и аналоговой опорной мощностью. Затем разность мощности преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровое значение разности мощности. Устройство комбинирования обеспечивает комбинированный цифровой сигнал посредством добавления цифрового значения разности мощности к цифровому значению, вводимому в генератор опорной мощности для генерирования аналоговой опорной мощности, причем источник питания обеспечивает аналоговую опорную мощность, скорректированную на разность между мощностью, определяемой цифровым входным сигналом и комбинированным цифровым сигналом.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, способ дополнительно включает цифровое управление при помощи контроллера прямой связи генератором опорной мощности посредством эмулирования характеристик генерирования выходной мощности источника питания.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, цифровое управление генератором опорной мощности дополнительно включает эмулирование характеристик генерирования выходной мощности источника питания, скорректированных на разности по времени задержки между цифровым входным сигналом и сигналом цифрового значения разности мощности.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, управление эмулированием характеристик генерирования выходной мощности источника питания осуществляется посредством разности между цифровым входным сигналом и комбинированным цифровым сигналом.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, эмулирование характеристик генерирования выходной мощности источника питания осуществляется в зависимости от оперативных параметров источника питания, причем оперативные параметры выбираются из группы, включающей в себя температуру элемента источника питания и продолжительность работы элемента источника питания.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, генератор опорной мощности содержит комплект выключателей, в цифровой форме управляемых цифровым входным сигналом, причем каждый выключатель управляет усилителем, причем уровень аналоговой опорной мощности устанавливается посредством объединения электрического выхода коммутируемых усилителей.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, элемент измерения мощности содержит элемент, генерирующий выходное магнитное поле, элемент, генерирующий опорное магнитное поле, и элемент обнаружения магнитного поля, причем упомянутый способ дополнительно включает индуктивное генерирование элементом, генерирующим выходное магнитное поле, выходного магнитного поля из электрической выходной мощности и индуктивное генерирование элементом, генерирующим опорное магнитное поле, магнитного поля из аналоговой опорной мощности, причем генерируемое опорное магнитное поле направлено в противоположном направлении относительно выходного магнитного поля. Упомянутый способ дополнительно включает определение элементом обнаружения магнитного поля разности мощности между электрической выходной мощностью и аналоговой опорной мощностью посредством измерения совмещения выходного магнитного поля и опорного магнитного поля.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, элемент, создающий магнитное поле, содержит множество комплектов катушечных обмоток, причем каждый комплект катушечной обмотки содержит, по меньшей мере, одну катушечную обмотку, причем упомянутый способ дополнительно включает генерирование генератором опорной мощности опорного уровня магнитного поля посредством выбора количества комплектов катушечной обмотки для подачи опорного тока через комплекты катушечной обмотки, причем количество выбранных комплектов катушечных обмоток определяется из уровня аналоговой опорной мощности.
В другом аспекте, изобретение относится к компьютерному программному продукту, содержащему инструкции, выполняемые компьютером, для осуществления любого из этапов способа в соответствии с изобретением.
Краткое описание чертежей
Ниже предпочтительные варианты осуществления описаны более подробно только в качестве примера со ссылкой на чертежи, в которых:
Фиг.1 представляет собой блок-схему, изображающую усилитель в соответствии с изобретением,
Фиг.2 также представляет собой другую блок-схему, изображающую усилитель, содержащий коммутируемые усилители, в качестве источника опорной мощности.
Фиг.3 представляет собой блок-схему, изображающую датчик тока для усилителя в соответствии с изобретением,
Фиг.4 представляет собой блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую способ приведения в действие усилителя в соответствии с изобретением.
Подробное описание
В приведенном ниже описании и чертежах подобные элементы обозначены подобными ссылочными позициями.
Фиг.1 представляет собой блок-схему, изображающую цифровой усилитель в соответствии с изобретением. Цифровой усилитель содержит источник 100 питания с цифровым входом, приспособленным для приема цифрового входного сигнала 112. Данный входной сигнал представляет собой заданную форму кривой тока, которая используется в цифровой форме с разрешением k бит. Выходным сигналом 140 источника 100 питания является ток, протекающий, например, через градиентную катушку или вообще нагрузку 110. В идеале выходной сигнал 140 имеет такую же форму кривой, как и входной сигнал 112. Выходной ток может иметь амплитуды до 1800 А, которые, однако, не ограничиваются данной величиной, при этом допустимое максимальное отклонение от идеальной формы кривой равно нескольким миллиамперам.
Источник 100 питания содержит вычитающее устройство 102, цифровой контроллер 104, модулятор 106 и преобразователь 108 мощности. Выходной сигнал 140 генерируется преобразователем 108 мощности, который преобразует маломощный сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнал) в сигнал высокой мощности, который приводит в действие нагрузку 110. Обычно преобразователь 108 мощности прикладывает высокое выходное напряжение к индуктивной нагрузке 110, обеспечивающее высокий ток через нагрузку, причем данный ток через нагрузку называется выходным сигналом.
Модулятор 106 обычно и предпочтительно представляет собой цифровое устройство, которое преобразует сигнал 116 управления, принятый из цифрового контроллера 104, в ШИМ-сигнал 118. Данный ШИМ-сигнал 118 выдается в преобразователь мощности 108.
Цифровой контроллер 104 регистрирует сигнал 114 ошибки между входным сигналом 112 и полученным выходным сигналом 140 и выдает соответствующие сигналы 112 управления в модулятор 106, чтобы противодействовать сигналу ошибки. Предпочтительно, входной сигнал 112, сигнал 114 ошибки и сигнал 116 управления являются цифровыми сигналами с разрешением k бит.
Для того чтобы определить сигнал ошибки между входным сигналом 112 и полученным выходным сигналом 140, необходимо обнаружить и проанализировать выходной сигнал 140. Обнаружение осуществляется при помощи элемента 142 измерения мощности. Анализ обнаруженного выходного сигнала по отношению к входному сигналу 112 осуществляется при помощи контуров прямой и обратной связи.
Контроллер 120 прямой связи регистрирует входной сигнал 112 и предсказывает выходной сигнал с возможной точностью на основе модели системы. Например, сигнал прямой связи корректируется на разности по времени задержки между входным сигналом, сигналом 132 обратной связи в контуре обратной связи и сигналом 122 прямой связи, подаваемым из контроллера 120 прямой связи в генератор 124 смещения, приспособленный для генерирования опорного тока. Другими словами, генератор 124 смещения преобразует цифровой сигнал 122 прямой связи в аналоговый сигнал 126, чтобы сместить выходной сигнал 140.
Контроллер 120 прямой связи может быть дополнительно приспособлен для приема оперативных параметров источника 100 питания. Например, преобразователь 108 мощности может содержать несколько датчиков температуры, значения температуры которых выдаются, предпочтительно, в цифровой форме, в контроллер 120 прямой связи, который в свою очередь может корректировать используемую им модель системы. Кроме того, контроллер 120 прямой связи может быть приспособлен для приема сигналов 114 ошибки из источника 100 питания, так что контроллер 120 прямой связи способен корректировать себя, например, на постоянные ошибки, такие как смещения в выходном сигнале 140. Источник сигналов 114 ошибки более подробно описан ниже.
Цифровой усилитель, показанный на фиг.1, дополнительно содержит вычитающее устройство 128, которое вычитает сигнал 126 смещения из выходного сигнала 140, обнаруженного элементом 142 измерения мощности. Результат данного вычитания представляет собой аналоговый ток разности мощности, который поступает в аналого-цифровой преобразователь 130.
Аналого-цифровой преобразователь 130 преобразует разность между выходным сигналом 140 и сигналом 126 смещения из аналоговой формы в цифровую. Данный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) требуется только для преобразования разности между выходным сигналом и предсказанным выходным сигналом. Таким образом, сигнал смещения уменьшает динамический диапазон выходного сигнала (k бит) до меньшего динамического диапазона для сигнала обратной связи (m бит).
Сигнал 132 обратной связи комбинируется при помощи устройства 134 комбинирования с сигналом 122 прямой связи. При этом получается заданный выходной сигнал 136, который поступает в источник 100 питания. Например, источник 100 питания содержит вычитающее устройство 102, которое вычитает заданный выходной сигнал 136 из входного сигнала 112. При этом получается сигнал 114 ошибки, который, который подается в цифровой контроллер 104, как уже описано выше.
Таким образом, сигнал 122 прямой связи является цифровым представлением предсказанного выходного сигнала. Сигнал 132 обратной связи является цифровым представлением разности между измеренным выходным сигналом и предсказанным выходным сигналом. Комбинация сигнала 122 прямой связи и сигнала 132 обратной связи является цифровым представлением измеренного выходного сигнала, которое называется заданным выходным сигналом 136. Разность между заданным выходным сигналом и входным сигналом представляет собой сигнал 114 ошибки.
Даже если сигнал 126 смещения не может предсказывать выходной сигнал 140 с максимальной точностью, динамический диапазон разности между выходным сигналом 140 и сигналом 126 смещения обычно составляет менее 1% выходного сигнала 140. Поэтому динамический диапазон данной разности выходного сигнала и сигнала смещения довольно низкий, так что требуется только простой аналого-цифровой преобразователь 130, для того чтобы точно преобразовать в цифровую форму разность между выходным сигналом и сигналом смещения для приема сигнала 132 обратной связи с разрешением в несколько миллиампер.
Для того чтобы проиллюстрировать это более подробно, входным сигналом 112 является цифровой сигнал с разрешением k бит. Сигналом 122 прямой связи является цифровой сигнал с разрешением n бит, причем n<k. Сигналом 132 обратной связи является цифровой сигнал с разрешением m бит, причем m<k и n+m=k. При этом m самых младших битов заданного выходного сигнала являются представлением сигнала обратной связи, а n самых старших битов заданного выходного сигнала являются представлением сигнала прямой связи.
Предположим, например, что контроллер 120 прямой связи может создавать сигнал прямой связи из 6 бит (n=6). Это позволяет использовать простой контроллер прямой связи, чтобы предсказывать выходной сигнал с умеренной точностью, соответствующей вышеупомянутому требованию 1%. Предположим также, что входной сигнал имеет разрешение 18 бит (k=18). Требуемое разрешение аналого-цифрового преобразователя 130 соответствует m бит (m=k-1=12 бит). Данное аналого-цифровое преобразование может быть реализовано 12-разрядным аналого-цифровым преобразователем, но может быть также реализовано АЦП с меньшим количеством битов в сочетании с методами повышения разрешения, такими как передискретизация.
0
1
n
На фиг.2 изображена часть цифрового усилителя, показанного на фиг.1, с генератором 124 опорной мощности (или генератором смещения), представленным в виде комплекта выключателей 210, 212 и 214, комплекта усилителей 202-206 и аналогового сумматора 208. В варианте осуществления, показанном на фиг.2, сигнал 122 прямой связи, которым является цифровой сигнал из n бит, управляет n выключателями 210, 212 и 214, которые устанавливают напряжение смещения. Точное опорное напряжение из источника 200 усиливается усилителями 202, 204 и 206 на коэффициент 2, 2,... 2. В зависимости от положения выключателей 210, 212 и 214, данные усиленные сигналы могут поступать в аналоговый сумматор, такой, например, как прецизионный операционный усилитель 208. Выходом сумматора 208 является напряжение смещения или сигнал 126 смещения, который вычитается из выходного напряжения датчика 142 тока. В результате получается аналоговый сигнал обратной связи, который характеризует разность между выходным током и сигналом смещения. Затем аналоговый сигнал обратной связи преобразуется в цифровую форму при помощи аналого-цифрового преобразователя 130, при этом получается сигнал 132 обратной связи.
На фиг.2 выходной сигнал измеряется точным датчиком 142 тока. Обычно такой датчик генерирует ток, который является масштабированным представлением выходного тока через градиентную катушку, или вообще нагрузку 110. Кроме того, выход датчика, предпочтительно, гальванически изолирован от преобразователя 108 мощности и нагрузки 110. Выходной ток датчика преобразуется в напряжение при помощи, например, сопротивления нагрузки.
Однако при этом необходимо отметить, что датчиком тока может быть любой современный датчик тока, включая датчики Холла, СКВИД-датчики, датчики, работающие с индуктивно связанными катушками, и др.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, требуется только один точный опорный источник 200, при этом другие элементы, такие как операционные усилители 202-206 и сумматор 208, могут быть реализованы при помощи простых доступных на коммерческой основе элементов. Однако необходимо отметить, что усилители 202-206, используемые для усиления отдельных напряжений смещения, должны быть также достаточно точными. Для того чтобы дополнительно повысить данную точность, предпочтительно компенсировать погрешности статического коэффициента усиления данных усилителей посредством, например, калибровки.
На фиг.3 показан другой вариант осуществления цифрового усилителя в соответствии с изобретением. В отличие от элемента измерения мощности, состоящего на фиг.2 из датчика 142 и вычитающего устройства 128, элемент измерения мощности, показанный на фиг.3, определяется комбинацией из воспринимающей катушки 310 и нескольких проводников 302-308. В варианте осуществления, показанном на фиг.3, отдельное вычитающее устройство 128 уже не требуется.
n
Предположим, что проводниками 302-308 являются катушечные обмотки, расположенные, например, внутри воспринимающей катушки 310, при этом выход преобразователя 108 мощности может быть соединен при помощи одной катушечной обмотки 302 с нагрузкой 110. Токи смещения, протекающие через отмотки 304-308, генерируются одним источником 301 опорного тока. В зависимости от положения выключателей 300, определяемого сигналом 122 прямой связи посредством сигнала 312 управления, опорный ток (ток смещения) протекает через ряд обмоток 304-308 в датчике 310 тока. Обмотки 304-308 через датчик тока, характеризующие сигнал смещения отдельных битов сигнала прямой связи, содержат некоторое количество витков, связанное с положением бита сигнала 122 прямой связи. Поскольку выходной ток достигает 1000 А (но не ограничен данным значением, см. выше) и обычно измеряется одним витком в датчике 310 тока, либо ток смещения должен быть большим, либо количество витков 304-308 должно быть относительно большим. На фиг.3 количество витков показано как а·2. Где а - целое число.
На фиг.3 важно отметить, что посредством катушечных обмоток 304-308 воспринимающей катушки 310 и катушечной обмотки 302, через которые выходной ток протекает из преобразователя 108 мощности в нагрузку 110, образуются магнитные поля, которые направлены в противоположных направлениях. Этого можно достигнуть двумя способами: 1) если ток протекает в противоположных направлениях, 2) если обмотки проходят через сердечник в противоположных направлениях. На фиг.3 показано противоположное направление обмоток через сердечник, поэтому ток должен иметь один и тот же знак. Это приводит к образованию двух противоположных магнитных полей.
В результате выход 312 датчика тока, "автоматически" обнаруживаемый датчиком 310, представляет собой только разность между выходным сигналом и предсказанным опорным выходным сигналом. Таким образом, динамический диапазон выхода 312 датчика тока уже уменьшен таким образом, что аналого-цифровой преобразователь 130 должен преобразовать только аналоговый выходной сигнал 312 датчика тока в цифровой сигнал 132 обратной связи с разрешением m бит, причем входным сигналом является цифровой сигнал с разрешением k бит, а сигналом прямой связи является цифровой сигнал с разрешением m бит, при этом n<k и m<k и n+m=k.
На фиг.4 показана блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ, согласно изобретению, обеспечения требуемой электрической выходной мощности при помощи цифрового усилителя. На этапе 400 принимается цифровое заданное значение разрешения k бит. На этапе 402 источник питания генерирует выходной сигнал, определяемый цифровым заданным значением. Далее, на этапе 404 контроллер прямой связи генерирует сигнал прямой связи, причем генерируемый сигнал прямой связи имеет разрешение n бит, причем n<k. На этапе 406 из сигнала прямой связи генерируется аналоговый сигнал смещения, а на этапе 408 определяется аналоговая разность мощности между аналоговым сигналом смещения и генерируемым аналоговым выходным сигналом.
На этапе 410 данная аналоговая разность мощности преобразуется в цифровой сигнал обратной связи, причем сигналом обратной связи является цифровой сигнал с разрешением m бит. На этапе 412 заданный выходной сигнал вычисляется посредством комбинирования сигнала прямой связи и сигнала обратной связи. На этапе 414 из заданного выходного сигнала определяется сигнал ошибки, характеризующий разность между требуемым уровнем электрической выходной мощности, определяемым цифровым входным сигналом и измеренным аналоговым выходным сигналом. После этого следует этап 416, на котором реальный выходной сигнал корректируется на сигнал ошибки для выдачи скорректированного выходного сигнала на этапе 416.
ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ
100 источник питания
102 вычитающее устройство
104 цифровой контроллер
106 модулятор
108 преобразователь мощности
110 нагрузка
112 входной сигнал
114 сигнал ошибки
116 сигнал управления
118 ШИМ-сигнал
120 контроллер прямой связи
122 сигнал прямой связи
124 генератор смещения
126 сигнал смещения
128 вычитающее устройство
130 аналого-цифровой преобразователь
132 сигнал обратной связи
134 устройство комбинирования
136 заданный выходной сигнал
140 выходной сигнал
142 датчик
200 источник напряжения
202 усилитель
204 усилитель
206 усилитель
208 сумматор
210 выключатель
212 выключатель
214 выключатель
300 выключатель
301 источник опорного тока
302 обмотка
304 обмотка
306 обмотка
308 обмотка
310 воспринимающая катушка
312 сигнал управления