阅读说明：本技术 基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制系统 (Radio frequency power source low-level closed-loop amplitude control system based on temperature compensation ) 是由 梁富林 龙平 张百川 高振中 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制系统,包括温度传感器、第一ADC解调模块、第二ADC解调模块、调制DAC模块和FPGA芯片,FPGA芯片上设有温度变化检测模块、第一幅度相位分离模块、第二幅度相位分离模块、功率变化率计算模块、硬件乘法器、幅度误差计算模块、增量PID控制器、幅度求和模块和坐标转换模块。本发明具有温度自动补偿功能,在没有恒温箱辅助情况下仍能获得很高的闭环功率稳定性,不仅提高了对环境的适应能力,还降低了成本。此外,该系统采用FPGA硬件平台的全数字处理,提高了系统的响应速度,有利于将对功率的扰动快速及时消除。(The invention discloses a radio frequency power source low-level closed-loop amplitude control system based on temperature compensation, which comprises a temperature sensor, a first ADC (analog to digital converter) demodulation module, a second ADC demodulation module, a modulation DAC (digital to analog converter) module and an FPGA (field programmable gate array) chip, wherein the FPGA chip is provided with a temperature change detection module, a first amplitude phase separation module, a second amplitude phase separation module, a power change rate calculation module, a hardware multiplier, an amplitude error calculation module, an increment PID (proportion integration differentiation) controller, an amplitude summation module and a coordinate conversion module. The invention has the function of automatic temperature compensation, can obtain high closed-loop power stability under the condition of no thermostat, not only improves the adaptability to the environment, but also reduces the cost. In addition, the system adopts the full digital processing of the FPGA hardware platform, improves the response speed of the system and is beneficial to quickly and timely eliminating the disturbance to the power.)

基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制系统

技术领域

本发明涉及射频控制技术领域，尤其涉及一种基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制系统。

背景技术

射频功率源是大功率的射频信号放大单元、各类放射用医疗设备、粒子加速系统的射频能量提供，其输出射频信号一般是加到高频谐振腔体等负载上，输出功率一般从几十千瓦至几千千瓦不等。在实际应用中，用户对射频功率源输出的幅度稳定性的要求在不断提高，高幅度稳定度的射频功率源系统是射频功率源获得良好应用的基础。如何获得高稳定度的射频功率源系统一直我们不断追求解决的问题。为了获得高稳定度(稳定度0.1％)的射频功率源，通常的做法是将低电平控制系统放置于一恒温控制箱内，如图1所示，但这样不仅会增加系统复杂性，还增加了运行成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有温度自动补偿功能的射频功率源低电平闭环幅度控制系统，该系统在没有恒温箱辅助情况下仍能获得很高的闭环功率稳定性，不仅提高了对环境的适应能力，还降低了成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制系统，包括温度传感器、第一ADC解调模块、第二ADC解调模块、调制DAC模块和FPGA芯片，FPGA芯片上设有温度变化检测模块、第一幅度相位分离模块、第二幅度相位分离模块、功率变化率计算模块、硬件乘法器、幅度误差计算模块、增量PID控制器、幅度求和模块和坐标转换模块；

所述温度传感器的输出端连接至温度变化检测模块的输入端，温度变化检测模块的输出端连接至功率变化率计算模块的输入端，功率变化率计算模块的输出端连接至硬件乘法器的第一输入端；

所述第一ADC解调模块的输出端连接至第一幅度相位分离模块的输入端，第一幅度相位分离模块的幅度信号输出端连接至硬件乘法器的第二输入端，硬件乘法器的输出端连接至幅度误差计算模块的第一输入端，幅度误差计算模块的输出端连接至增量PID控制器的输入端，增量PID控制器的输出端连接至幅度求和模块的第一输入端；

所述第二ADC解调模块的输出端连接至第二幅度相位分离模块的输入端，第二幅度相位分离模块的幅度信号输出端分为两路，一路连接至幅度误差计算模块的第二输入端，另一路连接至幅度求和模块的第二输入端，幅度求和模块的输出端连接至坐标转换模块的第一输入端，第二幅度相位分离模块的相位信号输出端连接至坐标转换模块的第二输入端，坐标转换模块的输出端连接至调制DAC模块的输入端；

工作时，温度变化检测模块在闭环使能信号的控制下通过温度传感器得到从闭环开始到当前采样时刻的温度变化值，功率变化率计算模块根据温度变化值与温度每变化1度时的功率温度变化系数输出功率变化比率；

当前采样时刻的功率源信号经第一ADC解调模块模数变换、解调为基带信号后，被第一幅度相位分离模块分离为幅度和相位，硬件乘法器根据功率变化比率对功率源信号幅度修正后输出；

当前采样时刻的信号源信号经第二ADC解调模块模数变换、解调为基带信号后，被第二幅度相位分离模块分离为幅度和相位，幅度误差计算模块计算修正后的功率源信号幅度与信号源信号幅度的差值后输出，增量PID控制器根据当前采样时刻幅度差值和前一采样时刻幅度差值计算并输出幅度增量，幅度求和模块根据幅度增量对信号源信号幅度补偿后发送至坐标转换模块，坐标转换模块将补偿后的信号源信号幅度和信号源信号相位合成为基带信号后输出，调制DAC模块将合成的基带信号调制、数模转换为射频信号后输出。

进一步的，所述从闭环开始到当前采样时刻的温度变化值表示为

DeltaT(n)＝T(n)-T₀

其中，T(n)为第n时刻的温度取样值，T₀为闭环控制开始时的初始温度。

进一步的，所述功率变化比率表示为

K＝DeltaT(n)*(K₀-1)+1

其中，K₀为功率温度变化系数。

进一步的，所述修正后的功率源信号幅度表示为

A_o＝A_i*K

其中，A_i为功率源信号未经修正的幅度。

进一步的，所述幅度增量表示为

DeltaA(n)＝(k_p+k_d+k_i)e(n)-(k_p+2k_d)e(n-1)+k_de(n-2)

其中，e(n)表示鉴相器输出值，k_p、k_i、k_d分别表示PID控制算法的比例、积分和微分系数。

进一步的，所述补偿后的信号源信号幅度表示为

U(n)＝A(n)+DeltaA(n)

其中，A(n)为信号源信号的幅度。

本发明的有益效果是：本发明提供一种具有温度自动补偿功能的射频功率源低电平闭环幅度控制系统，该系统在没有恒温箱辅助情况下仍能获得很高的闭环功率稳定性，不仅提高了对环境的适应能力，还降低了成本。此外，该系统采用FPGA硬件平台的全数字处理，提高了系统的响应速度，有利于将对功率的扰动快速及时消除。

附图说明

图1为现有技术一种低电平控制系统的运行示意图；

图2为本发明基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制系统的原理框图；

图3为本发明基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制系统的运行示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图2所示，一种基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制系统，包括温度传感器、第一ADC解调模块、第二ADC解调模块、调制DAC模块和FPGA芯片，FPGA芯片上设有温度变化检测模块、第一幅度相位分离模块、第二幅度相位分离模块、功率变化率计算模块、硬件乘法器、幅度误差计算模块、增量PID控制器、幅度求和模块和坐标转换模块；

所述温度传感器的输出端连接至温度变化检测模块的输入端，温度变化检测模块的输出端连接至功率变化率计算模块的输入端，功率变化率计算模块的输出端连接至硬件乘法器的第一输入端；

所述第一ADC解调模块的输出端连接至第一幅度相位分离模块的输入端，第一幅度相位分离模块的幅度信号输出端连接至硬件乘法器的第二输入端，硬件乘法器的输出端连接至幅度误差计算模块的第一输入端，幅度误差计算模块的输出端连接至增量PID控制器的输入端，增量PID控制器的输出端连接至幅度求和模块的第一输入端；

所述第二ADC解调模块的输出端连接至第二幅度相位分离模块的输入端，第二幅度相位分离模块的幅度信号输出端分为两路，一路连接至幅度误差计算模块的第二输入端，另一路连接至幅度求和模块的第二输入端，幅度求和模块的输出端连接至坐标转换模块的第一输入端，第二幅度相位分离模块的相位信号输出端连接至坐标转换模块的第二输入端，坐标转换模块的输出端连接至调制DAC模块的输入端；

工作时，温度变化检测模块在闭环使能信号的控制下通过温度传感器得到从闭环开始到当前采样时刻的温度变化值，功率变化率计算模块根据温度变化值与温度每变化1度时的功率温度变化系数输出功率变化比率；

当前采样时刻的功率源信号经第一ADC解调模块模数变换、解调为基带信号后，被第一幅度相位分离模块分离为幅度和相位，硬件乘法器根据功率变化比率对功率源信号幅度修正后输出；

当前采样时刻的信号源信号经第二ADC解调模块模数变换、解调为基带信号后，被第二幅度相位分离模块分离为幅度和相位，幅度误差计算模块计算修正后的功率源信号幅度与信号源信号幅度的差值后输出，增量PID控制器根据当前采样时刻幅度差值和前一采样时刻幅度差值计算并输出幅度增量，幅度求和模块根据幅度增量对信号源信号幅度补偿后发送至坐标转换模块，坐标转换模块将补偿后的信号源信号幅度和信号源信号相位合成为基带信号后输出，调制DAC模块将合成的基带信号调制、数模转换为射频信号后输出。

所述从闭环开始到当前采样时刻的温度变化值表示为

DeltaT(n)＝T(n)-T₀

其中，T(n)为第n时刻的温度取样值，T₀为闭环控制开始时的初始温度。

所述功率变化比率表示为

K＝DeltaT(n)*(K₀-1)+1

其中，K₀为功率温度变化系数。

所述修正后的功率源信号幅度表示为

A_o＝A_i*K

其中，A_i为功率源信号未经修正的幅度。

所述幅度增量表示为

DeltaA(n)＝(k_p+k_d+k_i)e(n)-(k_p+2k_d)e(n-1)+k_de(n-2)

其中，e(n)表示鉴相器输出值，k_p、k_i、k_d分别表示PID控制算法的比例、积分和微分系数。

所述补偿后的信号源信号幅度表示为

U(n)＝A(n)+DeltaA(n)

其中，A(n)为信号源信号的幅度。

基于所述基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制系统的温度补偿功能，该系统运行过程中无需恒温箱辅助，如图3所示，不仅提高了对环境的适应能力，还降低了成本。

此外，该系统采用FPGA硬件平台的全数字处理，提高了系统的响应速度，有利于将对功率的扰动快速及时消除。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。