CN103543775B - 一种低噪声精密双极性直流电压源及其产生方法 - Google Patents

Abstract

一种可提供高精度、线性、低噪声的双极性直流电压源装置，包括电源转换模块、双级缓冲稳压输入模块、中央控制单元、高精度数字化电压转换单元、LCD显示单元、上位机程序和操作面板、温控输出单元。本发明实现了应用双级缓冲稳压输入，通过数模分块隔离区域设计降低系统噪声，应用温控技术来提高系统输出的稳定性，利用高精度数字化技术抑制电压输出噪声，解决了当前辐射探测研究中现有直流电压源的线性精度不高和噪声影响较大的难题，实现了其驱动能力高，精度达到20位，分辨率为1ppm，线性误差小于1ppm，信号频率最高10kHz，零电平输出电压噪声小于20μV（小于1LSB）。

Description

一种低噪声精密双极性直流电压源及其产生方法

技术领域

本发明属于直流电压源领域，具体涉及一种可提供高精度、线性、低噪声的双极性直流电压源装置及其产生方法。

背景技术

在高能物理研究领域中，核辐射探测往往研究的是微观的各种粒子之间的相互作用或者核反应的具体过程，但是产生的粒子信号往往很微弱，可低至nA，甚至fA级别，并且反映过程信号持续时间很快，仅仅有几个ns，甚至更快。并且在某些恶劣环境中，由于各种噪声的存在，有用信号会淹没在噪声中，对微弱信号的检测测量中，对测试测量系统是一个很大的挑战，电压源作为驱动整个测试系统的动力源，其抗干扰、噪声性能、精度、线性度、稳定性、纹波特性是影响测试系统的重要因素。当前使用的线性电源，由于大部分采用电压变换、整流、滤波等技术，线性度和噪声水平对测试结果影响较大，且体积较大，人机接口不方便，安装和调试不灵活，不方便使用。

发明内容

本发明目的是在环境复杂的高能物理核辐射探测实验中，为提高现使用线性电源的性能，而提出一种与传统线性电源使用技术不同的程控式双缓冲低噪精密线性的双极性直流数字电压源，其输出电压范围-10V∽+10V以及-10V、+10V两个固定输出，精度20位，分辨率小于1ppm，积分非线性（INL）为±1LSB、微分非线性（DNL）为±1LSB，较低的噪声水平（<1LSB），信号频率最高10kHz。并且可用于各种高精度测量以及对电压源噪声有较高要求的直流电压源方案使用。

本发明的技术解决方案为：

一种低噪声精密双极性直流电压源装置，其发明设计包括为整个系统提供4种电源电压的电源转换模块U1、与传统技术完全不同的用于双极性电压参考的双级缓冲稳压输入模块U2、用于输入输出显示控制的中央控制单元U3、用于噪声抑制的多参数基准高精度数字化电压输出单元U4、用于系统实时显示的LCD显示单元U5、用户输入终端上位机控制程序U6和控制面板U7以及用于实现电压稳定输出的温控输出单元U8。

上述为整个系统提供4种电源电压的电压转换模块U1包括系统使用的+12V、-12V、+5V、+3.3V电压源，电压转换使用传统的电压转换芯片，此处不在赘述；

上述用于双极性电压输出的高精度基准电压产生模块U2包括用±12V产生参考电压+5V_Ref的基准电压芯片A1，与A1相连的产生±10V基准电压的缓冲基准输入的放大器A2，与A2相连的产生后续基准参考参数V_REFPF、V_REFPS、V_REFNF、V_REFNS的运算放大器A3，A1、A2、A3顺序相连。所述基准芯片A1为美国AD公司的超低噪的基准电压源芯片ADR445，所述运算放大器A2为AD公司的高精度轨到轨运算放大器AD8676，实现一级缓冲输入，所述运算放大器A3也为AD8676，所述AD8676具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性，实现基准电压的二次缓冲输入，为整个系统实现基准电压的双级缓冲输入；

上述用于输入输出控制显示的中央控制单元U3就是控制用户终端输入U6、U7，输出LCD显示单元U5并控制A4的MCU A5。所述A5为Silicon Lab的微控制器MCUC8051F340；

上述低噪多参数基准高精度数字化电压输出单元U4主要包括接收上述基准参考参数V_REFPF、V_REFPS、V_REFNF、V_REFNS输入并电压DAC输出的数模转换器A4。所述A4为配置有独立的正和负基准电压的数模转换器（DAC）AD5791，所述AD5791是具有SPI接口的20位电压转换器，实现电压的数字化转换；

上述控制器A5控制DAC电压输出A4的具体工作过程如下：A5发送指令“0”将A4的/RESET端使能，重置A4；然后A5发送指令“0”，将A4的/CLR端使能，A4输出清空；然后A5发送指令“0”，将A4的/SYNC端使能，A4进入同步更新模式；然后A5发送一个24位的数据，进入A4的SDIN端，对A4的工作模式进行设置，SDIN端在/SYNC的下降沿开始输入，经过24个时钟周期后，A5发送指令“1”，将A4的/SYNC端使否，A4停止同步模式；然后A5发送指令“0”，将A4的/LDAC端使能，A4进入DAC逻辑输入；A4在检测V_REFPF、V_REFPS、V_REFNF、V_REFNS引脚的电压为有效参考电平时，进行数字转换；

上述用于系统实时显示的LCD显示单元U5与中央控制单元U3连接，实现输出数据的实时显示；

上述用户输入终端可以是上位机控制程序U6，所述上位机控制程序U6可通过USB接口与中央控制单元U3通讯，发送输入请求，实现远程控制操作；

上述用户输入终端也可以是控制面板U7，所述控制面板U7可以向控制单元U3发送输入请求，实现人机交互；

上述用于实现电压稳定输出的温控输出单元U8与A4连接，实现电压不受温度影响下进行稳定输出，是实现电压高精度输出的重要保证，所述温控输出单元主体是美国AD公司的AD8675，具有低噪声和低漂移特性，通过负向输入与输出直接相连，一方面使输出噪声较低，又使装置输出性能受温度影响较小；

上述A2、A3、U4放大电路中的反馈电阻应选取低温漂精密金属薄膜电阻，阻值为1kΩ到2kΩ，将系统噪声保持在较低水平；

上述电路设计中采用模拟电路和数字电路分块隔离区域设计，可有效地降低各种噪声对系统精度的影响。

本发明所具有的优点：

本发明采用具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性的双级缓冲基准输入设计，使系统具有±1LSB INL、±1LSB DNL的性能，也即线性误差小于1ppm；

本发明采用将系统电压多参数基准输出数字化的设计、数模分块隔离区域设计和温控稳定输出设计等方法使系统具有较低的噪声水平，系统电压输出精度为20位，分辨率为1ppm，系统噪声小于1LSB，噪声电压小于20μV，信号最高频率可达10kHz；

本发明采用小封装器件集成电路，使该系统具有小尺寸PCB、低功耗性能；

本发明采用控制面板和上位机程序用户终端实现系统的输入，LCD实现数据的实时显示，使该电源装置具有人机交互界面友好，可实现远程控制，使用方便等特点。

附图说明

图1为本发明的系统原理组成图；

图2为本发明系统原理图中提供双极性双级基准缓冲电压输入的U2模块和控制系统输入输出的中央控制单元U3原理图；

图3为本发明系统原理图中A5控制A4工作时序图；

图4为本发明温控输出单元电路；

图5为本发明系统输出测试结果图（理论值-10V）；

具体实施方式

本发明是为核辐射探测提供低噪声精密线性的双极性直流电压源装置，参见图1，包括电压转换模块U1、双级缓冲稳压输入模块U2、中央控制单元U3、多参数基准高精度数字化电压转换单元U4、LCD显示单元U5、用户输入终端U6和U7、用于实现电压稳定输出的温控输出单元U8；

显示单元U5与中央控制单元U3连接，实现电压输出的实时显示；具体操作包括发送中断请求和数据传输；

用户终端可以是上位机控制程序U6，U6设定想要的电压输出，通过USB接口与控制单元U3进行通信，控制单元U3实现控制输出和LCD显示单元U5的实时显示；具体操作包括发送中断请求和数据传输；

用户终端也可以是控制面板U7，控制面板U7通过面板设定想要的电压输出，向中央控制单元U3发送中断请求，并发送数据；

电压转换模块U1包括系统需要的4种电源电压和转换电路，4种电源电压为+12V、-12V、+5V、+3.3V；电压转换模块具体包括+12V转换成+5V，+5V转换成+3.3V，都采用常用的电压转换芯片；

参见图2，双级缓冲稳压输入模块U2包括基准电压芯片A1、缓冲基准输入的运算放大器A2和运算放大器A3；基准电压芯片A1使+12V产生参考电压+5V_Ref，与A2连接，缓冲基准输入的放大器A2产生±10V基准电压，与A3连接，缓冲基准输入放大器A3产生后续基准参考参数V_REFPF、V_REFPS、V_REFNF、V_REFNS，A1、A2、A3顺序相连；A1为ADR445，A2、A3都为AD8676；所述A1、A2、A3都具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性，实现基准电压的双级缓冲输入；

参见图2，中央控制单元U3包括微控制器（MCU）A5，A5与DAC电压转换器A4连接，A5接收用户终端上位机程序U6，也可以是控制面板U7的用户输入，接收中断请求，实现电压数据的输入；微控制器A5与LCD显示单元U7连接，实现实际输出电压的实时显示。

参见图2，多参数基准数字化输出单元U4主要包括DAC电压转换器A4和电压稳定输出的输出缓冲器，DAC电压转换器A4与微控制器A5连接，接收用户输入；DAC电压转换器A4与缓冲基准输入放大器A3连接，接收基准电压的输入；DAC电压转换器A4与信号温控输出单元U8连接；所述A4为配置有独立的正和负基准电压的数模转换器（DAC）AD5791。

所述微控制器A5的管脚29（P3.1）与DAC电压输出A4的/RESTE管脚相连；A5的管脚28（P3.2）与A4的/CLR管脚相连；A5的管脚27（P3.3）与A4的LDAC管脚相连；A5的管脚26（P3.4）与A4的/SYNC管脚相连；A5的管脚25（P3.5）与A4的SCLK管脚相连，为A4提供全局时钟；A5的管脚24（P3.6）与A4的SDIN管脚相连；A5的管脚23（P3.7）与A4的SDO管脚相连。

参见图3，上述A5控制A4的具体工作过程如下：A5发送指令“0”将A4的/RESET端使能，重置A4；然后A5发送指令“0”，将A4的/CLR端使能，A4输出清空；然后A5发送指令“0”，将A4的/SYNC端使能，A4进入同步更新模式；然后A5发送一个24位的数据，进入A4的SDIN端，对A4的工作模式进行设置，SDIN端在/SYNCde下降沿开始输入，经过24个时钟周期后，A5发送指令“1”，将A4的/SYNC端使否，A4停止同步模式；然后A5发送指令“0”，将A4的/LDAC端使能，A4进入DAC逻辑输入；A4在检测V_REFPF、V_REFPS、V_REFNF、V_REFNS引脚的电压为有效参考电平时，进行数字转换。

参见图2（下）和图4，用于实现电压稳定输出的温控输出单元（U8）与A4管脚2连接，实现电压在受温度影响较小下进行稳定输出，是实现电压高精度输出的重要保证；所述温控输出单元主体是美国AD公司的AD8675，具有低噪声和低漂移特性，性能受温度影响较小。所述温控电路采用输入作为输出的参考点，即AD8675的IN-端与OUT端连接，IN+端与A4Vout端连接，VS-端通过去耦电容接负电源，VS+端通过去耦电容接正电源。

LCD显示单元U5采用的是带国标汉字字库系列图形点阵液晶显示模块。可通过中央控制单元U3对其端口的控制和通信，实现电压数据的实时显示；

上位机控制程序U6，通过USB接口与中央控制单元U3完成数据通讯与控制，实现装置的远程用户输入，方便特殊环境下使用；

控制面板U7，是一个薄膜开关键盘。通过按动薄膜开关按钮，可以向中央控制单元U4发送中断请求，完成用户电压的输入，实现人机友好交互；

参见图5，对系统进行结果测试。本发明已经应用于核辐射探测相关的微弱信号检测和大动态高速数据采集系统的线性标定研究中。

Claims (3)

1.一种低噪声精密双极性直流电压源装置，其特征在于：

包括电源转换模块U1、双级缓冲稳压输入模块U2、中央控制单元U3、多参数基准高精度数字化电压转换单元U4、LCD实时显示单元U5、用户终端和温控输出单元U8；

所述电源转换模块U1包括+12V、-12V、+5V、+3.3V电源电压以及可实现+12V转换成+5V、+5V转换成+3.3V的转换电路；

所述双级缓冲稳压输入模块U2的输入端与电源转换模块U1相连，用于产生双极性电压参考，其包括用±12V产生+5V_Ref的基准电压芯片A1，+5V_Ref表示+5V的参考电压、与基准电压芯片A1相连的用于产生±10V基准电压的缓冲基准输入的运算放大器A2、与运算放大器A2相连的产生后续基准参考参数V_REFPF、V_REFPS、V_REFNF、V_REFNS的运算放大器A3；所述基准电压芯片A1为基准电压源芯片ADR445，所述运算放大器A2为高精度轨到轨运算放大器AD8676，所述运算放大器A3为高精度轨到轨运算放大器AD8676；

所述中央控制单元U3用于输入输出控制，为微控制器A5，所述微控制器A5的型号为C8051F340；

所述多参数基准高精度数字化电压转换单元U4的输入端接运算放大器A3的输出端，用于噪声抑制，包括接收上述基准参考参数V_REFPF、V_REFPS、V_REFNF、V_REFNS输入并输出电压的数模转换器A4；所述数模转换器A4为配置有独立的正和负基准电压且具有SPI接口的20位数模转换器AD5791；

所述LCD实时显示单元U5用于实时显示装置输出结果；

所述用户终端为上位机控制程序U6或控制面板U7；所述上位机控制程序U6可通过USB接口与中央控制单元U3通讯，实现用户远程输入控制操作；所述控制面板U7可以向中央控制单元U3发送中断请求、实现用户直接在装置上输入控制操作；

所述温控输出单元U8用于实现电压稳定输出，其采用具有超低失调、漂移和电压噪声，轨到轨输出运算放大器AD8675；所述温控输出单元U8的IN-端与OUT端连接，IN+端与数模转换器A4的Vout端连接，VS-端通过去耦电容接负电源，VS+端通过去耦电容接正电源。

2.根据权利要求1所述的低噪声精密双极性直流电压源装置，其特征在于：

所述运算放大器A2、运算放大器A3、数模转换器A4中的反馈电阻为阻值1-2kΩ的低温漂精密金属薄膜电阻。

3.一种低噪声精密双极性直流电压源产生方法，其特征在于：包括以下步骤：1】产生+12V、-12V、+5V、+3.3V电压源；

2】根据+12V电压源产生参考电压+5V_Ref；+5V_Ref表示+5V的参考电压；

3】根据+5V_Ref产生±10V基准电压；

4】根据±10V基准电压产生后续基准参考参数V_REFPF、V_REFPS、V_REFNF、V_REFNS送入数模转换器A4；

5】微控制器A5根据后续基准参考参数以及用户终端输入参数大小，控制数模转换器A4产生双极性直流电压：

5.1】微控制器A5发送指令“0”，将数模转换器A4的/RESET端使能，重置数模转换器A4；

5.2】微控制器A5发送指令“0”，将数模转换器A4的/CLR端使能，数模转换器A4输出清空；

5.3】微控制器A5发送指令“0”，将数模转换器A4的/SYNC端使能，数模转换器A4进入同步更新模式；

5.4】微控制器A5发送一个24位的数据，进入数模转换器A4的SDIN端，对数模转换器A4的工作模式进行设置，SDIN端在/SYNC的下降沿开始输入；

5.5】经过24个时钟周期后，微控制器A5发送指令“1”，将数模转换器A4的/SYNC端使否，数模转换器A4停止同步模式；

5.6】微控制器A5发送指令“0”，将A4的/LDAC端使能，数模转换器A4进入DAC逻辑输入；

5.7】数模转换器A4在检测V_REFPF、V_REFPS、V_REFNF、V_REFNS引脚的输入电压为有效参考电平时，进行数字转换；

6】数模转换器A4输出-10V、+10V两个固定电压以及用户终端输入的在范围-10V∽+10V的电压。