CN107656572A - 用数模转换器实现的多路可调电压源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用数模转换器实现的多路可调电压源及其控制方法，包括：MCU芯片与数模转换器连接；数模转换器电压输出端与第五输出运算放大器正极输入端连接，该第五输出运算放大器输出端回连至其负极输入端，该第五输出运算放大器的负极输入端分别经第一至第四模拟开关与第一至第四输出运算放大器的正极输入端连接；MCU芯片的四路I/O接口分别与第一至第四模拟开关控制端通信连接；第一至第四输出运算放大器的正极输入端分别经一个电容器接地，第一至第四输出运算放大器的负极输入端分别连接至各输出运算放大器自身的输出端。该多路可调电压源用一个数模转换器实现多路可调电压输出，减少数模转换器数量，降低了产品体积和成本。

Description

用数模转换器实现的多路可调电压源及其控制方法

技术领域

本发明涉及可调电压源领域，尤其涉及一种用数模转换器实现的多路可调电压源及其控制方法。

背景技术

可调电压源是目前模拟集成电路极为重要的组成部分，它可以为串联型稳压电路、A/D和D/A转化器提供基准电压，作为基准电压源，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。另外，这种电压可调的基准电压源也可作为标准电池、仪器表头的刻度标准和精密电流源。

随着数字化技术的普及，现有的仪器仪表设备也向着程控化、数字化方向发展。现有测试测量仪器一般都通过测量信号与仪器内部产生的电压源进行比较后实现仪器的控制和测量功能。在手动控制与数字控制升级过程中，最主要的是电压基准产生方式发生着变化，同时单台仪器中往往需要不止一个电压源。在手动仪器仪表设备实现多路可调电压源比较简单，可以通过多个运放算放大器对单个电压基准进行调节实现，基准输入到运算放大器后，通过手动调节运算放大器的反馈电阻值的大小即可实现对每个电压源的单独控制。在进入数字化后，可调电压源一般都通过数模转换器来实现，数模转换器一般都是芯片厂商封装好，通过I²C、SPI总线等方式对模数转换器中寄存器进行控制，实现电压源的调节。

目前主流的多路可数字调节的基准电源是为MCU通过I\O口对数模转换器进行控制实现，具体电路构成如图1所示，其中所有数模转换器共用时钟、数据等信号，通过片选信号区分不同的数模转换器，实现MCU对每一个DA进行分别控制，电路中器件均为封装好器件，只需要通过总线进行通信即可实现多路可调的电压源。但是这种多路可调电压源在实际使用中采用多个单路模数转换器，在成本上增加较大，随着移动设备处理器以及内存使用量的快速增加，芯片厂对于其他芯片排产进一步减小，通用类的模数转换器价格一直在增长，选用该方案的成本缺点变得愈加明显。同时由于采用了多个芯片来实现输出，在印制板设计时占用较多的空间也不利于产品的小型化设计。

目前另一种实现多路可调电压源的方案是通过MCU的I/O口输出PWM信号通过模拟低通滤波器滤掉PWM输出的高频部分，保留低频的直流分量，从而得到对应的电压源(参见图2)。输出电压精度与PWM频率与低通滤波器的设计相关。但这种多路可调电压源是由低通滤波器设计而成存在一定难度，不易实现高精度需求。由于受限于低通滤波器的实现方案，PWM频率越高对于输出直流电压源精度效果越好，对于MCU要求较高，多路输出时需要控制多个PWM波形产生，对于软件编写要求较高。与上述第一种方案的多路可调电压源类似也存在外围器件复杂占用印制板面积大的缺点。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种用数模转换器实现的多路可调电压源及其控制方法，用简单的数模转换器件实现不同精度、不同速度需求的多路可调电压源，从而解决输出多路电压源高成本以及电路复杂占用印制板面积大的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种用数模转换器实现的多路可调电压源，包括：

MCU芯片、一个数模转换器、第一至第五输出运算放大器和第一至第四模拟开关；其中，

所述MCU芯片与所述数模转换器通信连接；

所述数模转换器的电压输出端与第五输出运算放大器的正极输入端电气连接，该第五输出运算放大器的输出端回连至其负极输入端，该第五输出运算放大器的负极输入端分别经第一至第四模拟开关与第一至第四输出运算放大器的正极输入端电气连接；

所述MCU芯片的四路I/O接口分别与所述第一至第四模拟开关控制端通信连接；

所述第一至第四输出运算放大器的负极输入端分别经一个电容器接地，所述第一至第四输出运算放大器的负极输入端分别连接至各输出运算放大器自身的输出端。

本发明实施方式还提供一种用数模转换器实现的多路可调电压源的控制方法，用于本发明所述的用数模转换器实现的多路可调电压源，包括以下步骤：

通过所述MCU芯片对数模转换器进行电压值设定，设置四路输出电压值的阶梯波形，同时通过所述MCU芯片的四路I/O接口对所述第一至第四模拟开关进行控制，与四个输出电压的输出波形进行对应，输出电压稳定后接通所述第一至第四模拟开关，在输出电压变化前断开所述第一至第四模拟开关完成对所述第一至第四输出运算放大器对应的电容充电，使得所述第一至第四输出运算放大器同相输入端电压稳定，四路输入端电压经电压跟随后实现可调电压源。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的单路DA的多路高精度可调电压源及其控制方法，其有益效果为：

通过在各路输出运算放大器的正极输入端设置电容器，利用电容的储能特性，对电压具有维持特性，利用模拟开关对放电环路进行截止，延长电容器放电时间从而得到精度较高的电压源，并且输出电压受电容充电电压控制，实现多路输出电压可调，由于采用一个数模转换器实现多路可调电压输出，减少了数模转换器的使用数量，降低了产品的成本，可根据项目需求选择不同精度，速度的数模转换器来满足不同的设计需求，同时外围电路简单，有效地减少印制板占用面积，有利于产品小型化设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为现有技术一提供的多路可数字调节的基准电源电路构成示意图；

图2为现有技术二提供的以低通滤波器实现的可调节电源的电路构成示意图；

图3为本发明实施例提供的多路可调电压源的电路构成示意图；

图4为本发明实施例提供的多路可调电压源的第一路输出波形图；

图5为本发明实施例提供的多路可调电压源的第二路输出波形图；

图6为本发明实施例提供的多路可调电压源的第三路输出波形图；

图7为本发明实施例提供的多路可调电压源的第四路输出波形图；

图8为本发明实施例提供的多路可调电压源的四路输出时序图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明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，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图3所示，本发明实施例提供一种用数模转换器实现的多路可调电压源，包括：

MCU芯片、数模转换器、第一至第五输出运算放大器和第一至第四模拟开关；其中，

MCU芯片与数模转换器通信连接；

数模转换器的电压输出端与第五输出运算放大器的正极输入端电气连接，该第五输出运算放大器的输出端回连至该第五输出运算放大器的负极输入端，该第五输出运算放大器的负极输入端分别经第一至第四模拟开关与第一至第四输出运算放大器的正极输入端电气连接；

MCU芯片的四路I/O接口分别与第一至第四模拟开关控制端通信连接；

第一至第四输出运算放大器的正极输入端分别经一个电容器接地，第一至第四输出运算放大器的负极输入端分别连接至各输出运算放大器自身的输出端。

上述多路可调电压源中，MCU芯片与数模转换器通信连接为：

MCU芯片的DA_LOAD针脚、DA_LOAC针脚、DA_CS针脚、DA_CLK针脚和DA_SDI针脚分别对应连接至数模转换器的LOAD针脚、LOAC针脚、CS针脚、CLK针脚和SDI针脚。

上述多路可调电压源中，第一至第四输出运算放大器的正极输入端连接的电容器为储能电容器。

上述多路可调电压源中，数模转换器采用单路输出数模转换器或多路输出数模转换器。

上述多路可调电压源中，第一至第四模拟开关均采用电子开关。

本发明实施例还提供一种用数模转换器实现的多路可调电压源的控制方法，用于上述的用数模转换器实现的多路可调电压源，包括以下步骤：

通过MCU芯片对数模转换器进行电压值设定，设置四路输出电压值的阶梯波形，同时通过MCU芯片的四路I/O接口(即图3中的P1.O至P1.3针脚)对第一至第四模拟开关进行控制，与四个输出电压的输出波形进行对应，输出电压稳定后接通第一至第四模拟开关，在输出电压变化前断开第一至第四模拟开关完成对第一至第四输出运算放大器对应的电容充电，使得第一至第四输出运算放大器同相输入端电压稳定，四路输入端电压经电压跟随后实现可调电压源。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

如图3所示，本发明使用单路输出数模转换器实现多路可调电压源，其中，MCU可对单路输出数模转换器进行电压值设定，设置4个电压值的阶梯波形，同时通过I/O口对模拟开关进行控制，与四个电压输出波形进行对应，在电压稳定后接通模拟开关、在电压变化前断开模拟开关从而完成对电容充电，使得输出运算放大器同相输入端电压稳定，经过电压跟随器后实现可调电压源。

工作时序如图4～8所示，数模转换器在1uS至12uS时输出1V电压，MCU的P1.0口在3uS至10uS输出低电平，使模拟开关1导通，对电容C1进行充电，充电电压至与数模转换器输出一致，输出1电压为1V，10uS后模拟开关1断开，电容电压进行保持，输出1保持输出1V。输出2工作模式与输出1相同，模拟开关2断开时输出电压保持与数模转换器输出2.5V相同，同理输出3电压为0.5V，输出4电压为2V，完成输出1至输出4电压后，重复循环上述四个步骤。如需对输出电压进行调整，只需控制数模转换器在相应输出模拟开关到同时电压即可。如需调整输出1电压为1.2V时，将数模转换器输出设置为1.2V，延时2uS后接通模拟开关1，7uS后关闭模拟开关1，输出1电压设置为1.2V。

本发明的多路可调电压源，利用电容的储能特性，对电压具有维持特性，利用模拟开关(即电子开关)对放电环路进行截止，延长电容放电时间从而得到精度较高的电压源，并且输出电压受电容充电电压控制，实现输出电压可调。同时通过时序控制实现对多个储能电容进行充电，实现多路电压源控制，由于采用单个单路输出数模转换器实现多路电压源输出，减少了数模转换器的使用数量，降低了产品的成本，可根据项目需求选择不同精度，速度的数模转换器来满足不同的设计需求，同时外围电路简单，有效地减少印制板占用面积，有利于产品小型化设计。以普通串行总线方式的模数转换器为例，单个数模转换器价格在40元左右，如实现8路可调电压源，则需要的成本为320元，而采用本方案后只需要一个模数转换器和单个运放以及少量电阻电容，平均到单路成本可控制在10元以下，8路成本小于80元，成本节约明显。同时外围器件同数模转化器相比体积下降，可实现印制板面积节省。

上述多路可调电压源中，数模转换器可采用并行总线方式或者多路输出模数转换器，应用电容储能特性进行电压保持，实现单个电压产生多路输出。该多路可调电压源中应用的器件非指专一型号，具有相关功能的器件按照图3的电路进行搭建均可实现本发明的多路可调电压源的相关功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用数模转换器实现的多路可调电压源，其特征在于，包括：

MCU芯片、一个数模转换器、第一至第五输出运算放大器和第一至第四模拟开关；其中，

所述MCU芯片与所述数模转换器通信连接；

所述数模转换器的电压输出端与第五输出运算放大器的正极输入端电气连接，该第五输出运算放大器的输出端回连至该第五输出运算放大器的负极输入端，该第五输出运算放大器的负极输入端分别经第一至第四模拟开关与第一至第四输出运算放大器的正极输入端电气连接；

所述MCU芯片的四路I/O接口分别与所述第一至第四模拟开关控制端通信连接；

所述第一至第四输出运算放大器的正极输入端分别经一个电容器接地，所述第一至第四输出运算放大器的负极输入端分别连接至各输出运算放大器自身的输出端。

2.根据权利要求1所述的用数模转换器实现的多路可调电压源，其特征在于，所述MCU芯片与所述数模转换器通信连接为：

所述MCU芯片的DA_LOAD针脚、DA_LOAC针脚、DA_CS针脚、DA_CLK针脚和DA_SDI针脚分别对应连接至所述数模转换器的LOAD针脚、LOAC针脚、CS针脚、CLK针脚和SDI针脚。

3.根据权利要求1所述的用数模转换器实现的多路可调电压源，其特征在于，所述第一至第四输出运算放大器的正极输入端连接的电容器为储能电容器。

4.根据权利要求1所述的用数模转换器实现的多路可调电压源，其特征在于，所述数模转换器采用单路输出数模转换器或多路输出数模转换器。

5.一种用数模转换器实现的多路可调电压源的控制方法，其特征在于，用于权利要求1至4任一项所述的用数模转换器实现的多路可调电压源，包括以下步骤：

通过所述MCU芯片对数模转换器进行电压值设定，设置四路输出电压值的阶梯波形，同时通过所述MCU芯片的四路I/O接口对所述第一至第四模拟开关进行控制，与四个输出电压的输出波形进行对应，输出电压稳定后接通所述第一至第四模拟开关，在输出电压变化前断开所述第一至第四模拟开关完成对所述第一至第四输出运算放大器对应的电容充电，使得所述第一至第四输出运算放大器同相输入端电压稳定，四路输入端电压经电压跟随后实现可调电压源。