CN102915067A

CN102915067A - 一种高精度偏置电压控制设备及直流稳压电源

Info

Publication number: CN102915067A
Application number: CN2012104244025A
Authority: CN
Inventors: 郭国平; 周诚; 王永刚; 涂涛; 肖明; 郭光灿
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CN102915067B

Abstract

本发明公开了一种高精度的偏置电压控制设备，以主控器为核心控制单元，与其相连的有数据接口和电压输出电路，同时还有两套单独的电压供电，分别是模拟电源和数字电源。该电压输出电路包括DAC电路，该DAC电路通过数字隔离器与所述主控器相连，并经由调理和滤波电路输出电压。本发明的技术方案完全满足量子点实验测量所需的精度和稳定性要求，而且易于实现，使用方便。

Description

一种高精度偏置电压控制设备及直流稳压电源

技术领域

本发明属于稳压电源技术领域，特别涉及一种高精度的偏置电压控制设备及由其构成的直流稳压电源。

背景技术

半导体量子点和石墨烯量子点的基本机构都是通过在基片上刻蚀出一定形状的金属门电极形成的，通过给各门电极加上适当的偏压来形成量子点。由于门电极的尺寸非常微小(一般在100nm以内)，同时量子点中的电子个数也只有个位数，因此给各门电极加的偏压也是非常微小的。其次，在形成量子点以后，我们希望能够对其进行精细的调控，这就要求能够对门电极所加的偏压进行微小的调节。再次，电压源所提供的偏压的稳定性也是十分重要的方面，我们希望获得的是稳定性非常高的输出电压，这能够保证实验结果的准确性和可靠性。另一方面，为了使实验测量更加方便、高效，使用计算机对测量过程进行控制是十分有效的做法，这就要求为门电极提供偏压的电压源能够与计算机之间进行通讯，相互传输数据，从而实现计算机的自动控制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是为了设计一种满足量子点实验测量要求的偏置电压控置设备和直流稳压电源，其能够提供极高精度、极高稳定性的电压输出，同时能够和计算机进行通信，实现计算机的自动控制。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种偏置电压控制设备，包括主控器及与主控器相连的周边电路，所述周边电路包括电压输出电路，该电压输出电路包括DAC电路，该DAC电路通过数字隔离器与所述主控器相连，并经由调理和滤波电路输出电压，所述主控器用于对所述电压输出电路进行控制。

根据本发明的一种具体实施方式，所述主控器的周边电路包括数据接口，其用于与计算机相连，从计算机输入和输出数据，以便所述控制器接受计算机的控制。

根据本发明的一种具体实施方式，所述DAC电路包括DAC及其相关电路，所述DAC具有四个驱动电压输入端口，它们采用开尔文四线连接方式。

根据本发明的一种具体实施方式，所述四个驱动电压输入端口分别为高电位施加端口、高电位检测端口、低电位施加端口、低电位检测端口，其中，高电位施加端口和高电位检测端口分别连接一个第一放大器的负向输入端和输出端，该第一放大器的正向输入端连接一个参考电压；低电位施加端口和低电位检测端口分别连接一个第二放大器的负向输入端和输出端，该第二放大器的正向输入端接地。

根据本发明的一种具体实施方式，所述调理和滤波电路用于最小化输出电噪声，并实现输出电压在多个可选范围进行调节。

根据本发明的一种具体实施方式，所述调理和滤波电路包括三个放大器，即第四、第五、第六放大器，所述DAC电路的输出电压以及一个参考电压经过第四、第五放大器之后分别加载到第六放大器的负向和正向输入端。

根据本发明的一种具体实施方式，所述调理和滤波电路包括电压选择元件，其能够被切换以使所述偏置电压控制设备输出多个可选的电压范围。

根据本发明的一种具体实施方式，所述电压选择元件为至少一个跳线。

本发明还提出包括计算机和与该计算机相连的至少一个偏置电压控制设备。

根据本发明的一种具体实施方式，所述偏置电压控制设备有多个，它们与计算机的连接方式为光纤环拓扑结构，通过光纤链路连接所述多个偏置电压控制设备。

(三)有益效果

1、本发明的偏置电压控置设备采用主控器为核心控制单元，使得本发明的偏置电压控制设备能够与计算机进行数据的相互传递；

2、本发明的偏置电压控置设备在DAC电路中采用开尔文四线连接方式，保证了输出电压的稳定性；

3、本发明的偏置电压控置设备的调理和滤波电路中设计有输出电压选择元件，使得输出电压有多个可选范围；

4、本发明的偏置电压控置设备的电源和地分开处理以及模数部分的完全隔离，减少了信号之间的相互干扰；

5、本发明的直流稳压电源采用光纤环拓扑结构的设计，可以通过一根光纤链路连接多个偏置电压控制设备。

附图说明

图1显示了本发明的第一实施例的偏置电压控置设备的电路结构图；

图2显示了本发明的第一实施例的偏置电压控置设备的DAC电路；

图3显示了本发明的第一实施例的偏置电压控置设备的调理和滤波电路；

图4显示了本发明的第二实施例的直流稳压电源的通信光纤环拓扑结构；

图5显示了本发明的第二实施例的直流稳压电源的通信初始化流程图；

图6a、图6b、图6c分别所示为本发明的第二实施例的直流稳压电源的DAC复位、写入及读出流程图。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明的偏置电压控制设备包括主控器及与其相连的周边电路，主控器作为核心控制单元，与其相连有数据接口以及电压输出电路。

主控器用于对电压输出电路进行控制，以控制电压输出电路输出的电压，并且，主控器与数据接口相配合，将控制结果反馈至数据接口。

数据接口用于与计算机相连，从计算机输入和输出数据，以便所述控制器接受计算机的控制。该数据接口可以接收计算机发出的控制指令字节和数据字节，同时可以向计算机传输设备应答字节和数据字节。

电压输出电路的是本发明的关键设计，其采用的方案是：包括DAC(数模转换器)电路，DAC电路包括DAC及其相关电路。所述DAC电路通过数字隔离器与所述主控器相连，并经由调理和滤波电路输出电压。其中，DAC电路的关键部分是参考电压的驱动电路设计，DAC具有四个驱动电压输入端Vrefh-f、Vrefh-s、Vrefl-f、Vrefl-s，它们采用开尔文四线连接方式，这种连接方式能够保证Vrefh-f、Vrefl-f上的电流随着DAC输出变化时，Vrefh-f、Vrefl-f电压能够不随其电流的变化而变化，能够保持非常稳定，这也是DAC电路的关键。因为DAC电路连接采用的是开尔文四线连接方式，开尔文连接有两个要求：对于每个测试点都有一条激励线F和一条检测线S，二者严格分开，各自构成独立回路；同时要求S线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线S的电流极小，近似为零。按照作用和电位的高低，这四条线分别被称为高电位施加线(HF)、低电位施加线(LF)、高电位检测线(HS)和低电位检测线(LS)。调理和滤波电路用于最小化输出电噪声，并实现输出电压在多个可选范围进行调节。

优选的，主控器的周边电路还可可包括温度感应电路、LED与LED显示电路，以及开关等。温度感应电路可用于实时显示设备内部温度，由于温度对输出电压的稳定性有较大的影响，因此实时监测设备内部温度对于保证稳定的输出电压非常重要。LED和LED显示电路可以显示输出电压通道编号以及对应的输出电压值，同时可以显示设备内部的实时温度。开关可用来控制设备外接电源的供电以及主控器的供电。

数字隔离器用于对主控器与电压输出电路的电学隔离，包括但不限于对供电系统的隔离与对接地端的隔离等。

根据本发明，本发明的偏置电压控制设备包括两套单独的电压源，分别是模拟电源和数字电源，其分别给主控器和电压输出电路提供电源。

此外，本发明的设备还中包括其他功能元件，例如晶体管振荡器，以提供时钟频率。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例为一种具有多个输入电压范围的偏置电压控制设备。图1显示了该设备的电路结构图。如图1所示，该电源以主控器(该实施例中可由CycloneII EP2C20F484C6可编程芯片实现)为核心向外展开，与其直接相连的有LED和LED显示电路、晶体振荡器、温度感应电路、数据接口以及电压输出电路。另外该设备还包括两套单独的电压源，分别是模拟电源和数字电源。

如图1所示，其中电压输出电路由数字隔离器、DAC电路和调理和滤波电路三个部分组成，数字隔离器直接与可编程芯片(主控器)相连，DAC电路与数字隔离器相连，调理和滤波电路与DAC电路相连。调理和滤波电路对DAC电路的输出电压进行处理然后输出。该实施例中的DAC为DAC 9881。

图2为电压输出电路中的DAC电路的详细电路图，其包括一个DAC和与DAC连接的DAC驱动电路和DAC输出电路，在DAC左侧是四个驱动电压输入端口，分别是高电位施加端口Vrefh-f、高电位检测端口Vrefh-s、低电位施加端口Vrefl-f和低电位检测端口Vrefl-s，DAC驱动电路的设计采用开尔文四线连接方式。高电位施加端口Vrefh-s和高电位检测端口Vrefh-f分别接一个第一放大器(例如低噪放大器OPA2227)的负向输入端和输出端，第一放大器的正向输入端连接一个参考电压(在该实施例中为5V，图中用5V ref表示)。低电位施加端口Vrefl-s和低电位检测端口Vrefl-f分别接一个第二放大器(低噪放大器OPA2227)的负向输入端和输出端，第二放大器的正向输入端接地。DAC驱动电路的开尔文四线连接方式能够保证高电位施加端口Vrefh-f、低电位施加端口Vrefl-f上的电流随着DAC输出变化时，高电位施加端口Vrefh-f、低电位施加端口Vrefl-f电压不随其电流的变化而变化，能够保持非常稳定。

此外，根据需要，DAC电路中还包括有一些用于分压的电阻和一些用于隔绝信号之间的相互干扰的电容。该实施例的连接方法如图2中所示，其也可由本领域技术人员按设计来以不同方式实现，在此不再详述。DAC右侧是电压输出端口，连接一第三放大器(同样例如为低噪放大器OPA2227)后输出。

从DAC电路输出的电压经过调理和滤波电路的处理之后供给外接设备，图3为调理和滤波电路的电路图。调理和滤波电路包括三个放大器(同样可为低噪放大器OPA2227)，在此为了区别，将其称为第四、第五、第六放大器，DAC电路的输出电压以及所述参考电压(实施例中为5V ref)经过第四、第五放大器之后分别加载到第六放大器的负向和正向输入端。

本发明的调理和滤波电路包括输入电压选择元件，其能够被切换以使本发明的偏置电压控制设备输出多个可选的电压范围。该实施例中的调理和滤波电路中的输入电压选择元件为3组跳线，使电压输出有3个可用的输出范围。在该实施例中，在整个偏压电源中共有多个电压输出电路，以此能够提供多通道(该实施例为12通道)的独立电压输出。同时在调理和滤波电路的设计中，特别是放大和衰减功能部分，采用高精度的恒温电阻，使得输出电压具有很高的稳定性。

本发明的DAC电路还包括有输出电压选择元件，使得输出电压有多个可选范围。在本发明的上述实施例中，在参考电压(5V ref)和第六放大器的正向输入端之间设计了三组跳线，分别是第一跳线、第二跳线和第三跳线，用三组跳线的不同开关组合方式，实现对电压输出范围的调节。其中，第三跳线位于第一跳线、第二跳线的电路后端。第三跳线为三向开关，其包括三个跳线连接端子，图中以1、2、3显示，第三跳线的跳线连接端子2、3闭合则输出电压-10～0V；第三跳线的跳线连接端子1、2闭合同时第一跳线闭合，输出电压-5～5V；第三跳线的跳线连接端子1、2闭合同时第二跳线闭合，输出电压0～10V。

值得注意的是，该实施例中对于电压选择元件的设计仅仅是种示例，本领域技术人员通过选择不同的电器元件、不同的电阻和不同的电路连接关系，也可以实现其他多种输入电压的选择范围。

由于本发明的偏置电压控制设备以主控器为核心，因此能够实现与计算机的通信和自动控制。在该实施例中，FPGA可编程芯片能够接受计算机的数据指令，根据设计好的程序完成相应的操作，能够实现和计算机之间的通信及自动控制，

下面通过第二实施例来说明由本发明的偏置电压控制设备构成的直流稳压电压，该实施例为高精度12通道直流稳压电源。

在该实施例中，多个偏置电压控制设备与计算机的具体连接方式是采用图4所示的光纤环拓扑结构，图中的“设备00～设备xx”即为前面所述的本发明的偏置电压控制设备。但是本发明并不限于此，也可以采用诸如USB连接等方式进行通信。

如图4所示，可以通过一根光纤链路连接多个偏置电压控制设备。通信底层协议使用串口RS232C协议，波特率115200，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。计算机通过MOXA串口-光纤转换板/器进行光电转换，有光为0无光为1，通信波长820nm～850nm。在图1和图4中，RX表示电压控制设备接收到的控制信号，TX表示电压控制设备向计算机反馈控制结果，FiberRX表示具体的利用光纤拓扑环接收的控制信号，与之对应的FiberTX表示利用光纤拓扑环发送的结果反馈。仪器内部使用的发送与接收信号协议用SerialRX/SerialTX表示。

通信的字节分为，通信控制字节：包括通信复位字节、通信初始化字节和设备应答字节；命令字节：包括DAC复位、DAC写入和DAC读出；数据字节：DAC数据(3个字节)和温度数据(2个字节)。

图5所示为该实施例的通信初始化的流程图。计算机发送一个字节，例如0xFF，如果光线环路通，则通信复位成功。再发送通信初始化字节，设备接收到通信初始化字节。设备向计算机发送应答字节，例如0xBF，如果计算机收到应答字节，则设备选中并等待进一步指令。

图6a、图6b、图6c分别所示为本发明的实施例的DAC复位、写入及读出流程图，在完成设备的通信初始化之后，需要发送相应的命令给DAC以控制DAC的电压输出。

首先是DAC的复位，计算机发送一个复位字节，例如0x3F到设备，设备接收到命令字节后完成复位操作，然后发送应答字节到计算机，计算机接收到应答字节表示操作完成。0xBF为通信确认字符，附加于所有电压控制设备向计算机反馈控制结果之后作为标识符。当计算机检测到0xBF，即识别为通信成功，可将0xBF之前的通信结果识别为控制反馈结果。

DAC的写入控制包含命令字节和数据字节，完成DAC复位后，计算机发送写命令字节到设备，设备接收到命令字节后，计算机继续依顺序发送三个数据字节到设备，设备接收完三个数据字节后发送应答字节到计算机，计算机判断是否继续执行写操作，是则继续上述操作。

与DAC写入控制类似，DAC读出控制也包含两个字节，计算机发送命令字节到设备，设备接收读命令后，与写入不同的是，数据字节是由设备依顺序发送到计算机，然后设备继续发送应答字节到计算机，计算机接收到应答字节后表示操作完成。

该实施例中，模拟电源和数字电源采用完全隔离的连接方式，外接模拟电源需提供+15V和-15V，+15V在电压板上经过线性稳压器LDO后分为A+12V、A+5V、A+3.3V、AD+3.3V；-15V经过LDO后变为A-12V。其中，A+12V、A-12V供给放大器；A+12V同时供给5V基准电压；A+5V、A+3.3V供给DAC 9881；AD+3.3V则供给数字隔离器与DAC 9881相连的一侧。外接数字电源是一款5V，3A的电源，在电压板上经过LDO后分成D3.3V和D1.2V，供给数字电路部分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种偏置电压控制设备，包括主控器及与主控器相连的周边电路，其特征在于，所述周边电路包括电压输出电路，该电压输出电路包括DAC电路，该DAC电路通过数字隔离器与所述主控器相连，并经由调理和滤波电路输出电压，所述主控器用于对所述电压输出电路进行控制。

2.如权利要求1所述的偏置电压控制设备，其特征在于，所述主控器的周边电路包括数据接口，其用于与计算机相连，从计算机输入和输出数据，以便所述控制器接受计算机的控制。

3.如权利要求1所述的偏置电压控制设备，其特征在于，所述DAC电路包括DAC及其相关电路，所述DAC具有四个驱动电压输入端口，它们采用开尔文四线连接方式。

4.如权利要求3所述的偏置电压控制设备，其特征在于，所述四个驱动电压输入端口分别为高电位施加端口、高电位检测端口、低电位施加端口、低电位检测端口，其中，

高电位施加端口和高电位检测端口分别连接一个第一放大器的负向输入端和输出端，该第一放大器的正向输入端连接一个参考电压；

低电位施加端口和低电位检测端口分别连接一个第二放大器的负向输入端和输出端，该第二放大器的正向输入端接地。

5.如权利要求1所述的偏置电压控制设备，其特征在于，所述调理和滤波电路用于最小化输出电噪声，并实现输出电压在多个可选范围进行调节。

6.如权利要求1所述的偏置电压控制设备，其特征在于，所述调理和滤波电路包括三个放大器，即第四、第五、第六放大器，所述DAC电路的输出电压以及一个参考电压经过第四、第五放大器之后分别加载到第六放大器的负向和正向输入端。

7.如权利要求6所述的偏置电压控制设备，其特征在于，所述调理和滤波电路包括电压选择元件，其能够被切换以使所述偏置电压控制设备输出多个可选的电压范围。

8.如权利要求7所述的偏置电压控制设备，其特征在于，所述电压选择元件为至少一个跳线。

9.一种直流稳压电源，其特征在于，包括计算机和与该计算机相连的至少一个如权利要求1-8中任一项所述的偏置电压控制设备。

10.如权利要求9所述的直流稳压电源，其特征在于，所述偏置电压控制设备有多个，它们与计算机的连接方式为光纤环拓扑结构，通过光纤链路连接所述多个偏置电压控制设备。