CN108254702A - 基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置，包括数字信号处理器DSP、隔离器、乘法型数模转换器、反相器、比较单元、PID单元、限幅单元、驱动电路、功率管、采样电阻、差分放大器、放大器、衰减器、跟随器、数字地、模拟地和外接测试电源。本发明通过以乘法型数模转换器为核心构建快速且高分辨率电阻值模拟系统，采用PID环节消除系统产生的误差，增加限幅电路防止功率管进入死区或过载，可以实现精确的电阻模拟，分辨率高，模拟电阻值范围广，电路反应速度快，电路参数稳定，价格便宜，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电子负载，尤其涉及一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置。
背景技术
传统恒电阻模拟方法，如图1所示，在电子负载中通常单片机控制电流环路或电压环路，改变拉载电流，从而改变输出电压从而改变阻值，实现恒电阻模拟。这种采用软件方式实现的恒电阻模拟，需要对模拟电压信号进行模数转换，然后由单片机通过数字量计算，输出数模转换器相应的控制量来驱动功率管，最终由逐次逼近算法实现，这个过程需要较长的时间，导致传统的电阻模拟实现方式反应速度慢，可靠性不高，抗干扰能力差，难以满足快速电源的测试需求。同时，传统的处理方式中，单片机与外接电源共地，使得单片机容易受到外接电源的干扰。
专利申请号20150786608.6公开了一种直流恒电阻电子负载装置，如图2所示，由电压采集电路、信号调理电路、电压保持电路、负载驱动电路和模拟负载电路组成。该电路通过硬件方式可以快速实现恒电阻模拟，但是由于采用数字电位器，位数有限，导致可以模拟的电阻分辨率不高；高端数字电位器价格高且位数一般不会超过16位，使得方案的适用性较差；缺乏消除系统误差的处理措施，对驱动电路的幅度缺少限制措施，容易导致功率管过载，引起电路振荡，导致系统不稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种可以实现精确的电阻模拟，分辨率高，模拟电阻值范围广，电路反应速度快，电路参数稳定，价格便宜和可靠性高的基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置，包括数字信号处理器DSP、隔离器、乘法型数模转换器、反相器、比较单元、PID单元、限幅单元、驱动电路、功率管、采样电阻、差分放大器、放大器、衰减器、跟随器、数字地、模拟地和外接测试电源，数字信号处理器DSP以数字地为参考连接隔离器的一侧，隔离器的另一侧以模拟地为参考连接乘法型数模转换器的输入端，乘法型模转换器的输入端还连接跟随器的输出端，乘法型数模转换器的输出端连接到反相器的输入端，反相器的输出端连接比较单元的同相输入端，比较器单元的反相输入端连接放大器的输出端，比较单元的输出端连接到PID单元的输入端，PID单元的输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的输入端还连接到限幅单元，驱动电路的输出端连接到功率管的栅极，功率管的栅极连接外部电源的正极性端，外部电源的正极性端连接衰减器的输入端，衰减器的输出端连接跟随器的输入端，功率管的漏极连接采样电阻的一端，采样电阻的一端连接差分放大器的反相输入端，采样电阻的另一端连接差分放大器的同相输入端，差分放大器的输出端连接放大器的输入端，放大器的输出端连接比较器单元的反相输入端，采样电阻的另一端还连接模拟地，模拟地连接外部电源的负极性端。
进一步地限定，所述数字信号处理器DSP通过隔离器发出控制指令对乘法型数模转换器设置，乘法型数模转换器和反相器组成可控增益的衰减器，根据来自数字信号处理器DSP的指令，对输入模拟电压分压后输出到比较单元；流过采样电阻的电流在采样电阻上产生电压，差分放大器对采样电阻上的电压进行差分放大；放大器采用乘法型模数转换器和集成运放放大器组成的可控增益放大器；衰减器器采用电阻网络对电源的输出电压进行衰减；比较单元对来自放大器的输出电压与数模转换器的输出电压进行比较，比较的结果送至PID单元，限幅单元负责监控PID单元的输出电压范围；由PID单元的输出控制运放驱动电路中扩流晶体管的导通程度。
进一步地限定，所述乘法型数模转换器、反相器、比较单元、PID单元、驱动电路、功率管、采样电阻、衰减器、跟随器、外接测试电源和放大器的输出量组成深度负反馈电路，构成电压串联负反馈；比较单元、PID单元、驱动电路、功率管、采样电阻、差分放大器、放大器、外接测试电源和乘法型数模转换器的输出量组成深度负反馈电路，构成电流串联负反馈，以实现恒电阻的功能。
进一步地限定，所述跟随器的输出端连接乘法型数模转换器的参考电压引脚，乘法型数模转换器的反馈电阻引脚连接反相器的输出端，集成运算放大器的同相输入端连接乘法型数模转换器的模拟参考地引脚，集成运算放大器反相输入端连接乘法型数模转换器的电流输出引脚，通过控制乘法型数模转换器的数字量输入。
进一步地限定，所述放大器由八位乘法型数模转换器、输入电阻和集成运算放大器组成；输入电阻的一端连接差分放大器的输出端，输入电阻的另一端连接八位乘法型数模转换器的反馈电阻引脚，八位乘法型数模转换器的参考电压引脚连接集成运算放大器的输出端，集成运算放大器的同相输入端连接八位乘法型数模转换器的模拟参考地引脚，集成运算放大器反相输入端连接八位乘法型数模转换器的电流输出引脚，通过控制八位乘法型数模转换器的数字量输入，对差分放大器的输出电压进行放大。
更进一步地限定，所述输入电阻的阻值为2800Ω。
本发明的有益效果是：本发明通过以乘法型数模转换器为核心构建快速且高分辨率电阻值模拟系统，采用PID环节消除系统产生的误差，增加限幅电路防止功率管进入死区或过载，可以实现精确的电阻模拟，分辨率高，模拟电阻值范围广，电路反应速度快，电路参数稳定，价格便宜，可靠性高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是传统恒电阻模拟方法的原理框图。
图2是现有技术的直流恒电阻电子负载装置的电路原理图。
图3是本发明的结构示意图。
图4是本发明的简化原理框图。
图5是本发明的电路原理图。
图6是本发明具体实施时场效应管的特性转移曲线。
图中，1.限幅单元，2.PID单元，3.比较单元，4.电流采样放大单元，5.驱动电路。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图3所示，本实施例的一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置，包括数字信号处理器DSP、隔离器、乘法型数模转换器、反相器、比较单元3、PID单元2、限幅单元1、驱动电路5、功率管、采样电阻、差分放大器、放大器、衰减器、跟随器、数字地、模拟地和外接测试电源，数字信号处理器DSP以数字地为参考连接隔离器的一侧，隔离器的另一侧以模拟地为参考连接乘法型数模转换器的输入端，乘法型模转换器的输入端还连接跟随器的输出端，乘法型数模转换器的输出端连接到反相器的输入端，反相器的输出端连接比较单元的同相输入端，比较器单元的反相输入端连接放大器的输出端，比较单元的输出端连接到PID单元2的输入端，PID单元2的输出端连接驱动电路5的输入端，驱动电路5的输入端还连接到限幅单元1，驱动电路5的输出端连接到功率管的栅极，功率管的栅极连接外部电源的正极性端，外部电源的正极性端连接衰减器的输入端，衰减器的输出端连接跟随器的输入端，功率管的漏极连接采样电阻的一端，采样电阻的一端连接差分放大器的反相输入端，采样电阻的另一端连接差分放大器的同相输入端，差分放大器的输出端连接放大器的输入端，放大器的输出端连接比较单元3的反相输入端，采样电阻的另一端还连接模拟地，模拟地连接外部电源的负极性端。
其中，数字信号处理器DSP通过隔离器发出控制指令对乘法型数模转换器设置，乘法型数模转换器和反相器组成可控增益的衰减器，根据来自数字信号处理器DSP的指令，对输入模拟电压分压后输出到比较单元3；根据欧姆定律流过采样电阻的电流将在采样电阻上产生电压，差分放大器对采样电阻上的电压进行差分放大，以减少共模干扰所造成的测量误差；放大器采用乘法型模数转换器和集成运放放大器组成的可控增益放大器，以提供多种放大倍数；衰减器采用电阻网络对电源的输出电压进行衰减；比较单元3将来自放大器的输出电压与数模转换器的输出电压进行比较，比较的结果送至PID单元2，限幅单元1负责监控PID单元2的输出电压范围，使PID单元2的输出电压处于一定的范围之内，以避免功率管进入饱和状态；由PID单元2的输出控制运放驱动电路5中扩流晶体管的导通程度，进一步调节功率管导通程度，根据场效应管特性转移曲线，如图6所示，即可改变功率管导电沟道的电阻，实现对多种电阻值模拟；
乘法型数模转换器、反相器、比较单元3、PID单元2、驱动电路5、功率管、采样电阻、衰减器、跟随器、外接测试电源和放大器的输出量组成深度负反馈电路，构成电压串联负反馈；比较单元3、PID单元2、驱动电路5、功率管、采样电阻、差分放大器、放大器、外接测试电源和乘法型数模转换器的输出量组成深度负反馈电路，构成电流串联负反馈，以实现恒电阻的功能；
跟随器的输出端连接乘法型数模转换器的参考电压引脚，乘法型数模转换器的反馈电阻引脚连接反相器的输出端，集成运算放大器的同相输入端连接乘法型数模转换器的模拟参考地引脚，集成运算放大器反相输入端连接乘法型数模转换器的电流输出引脚，通过控制乘法型数模转换器的数字量输入；
放大器由八位乘法型数模转换器、输入电阻和集成运算放大器组成，输入电阻的阻值为2800Ω；输入电阻的一端连接差分放大器的输出端，输入电阻的量一端连接八位乘法型数模转换器的反馈电阻引脚，八位乘法型数模转换器的参考电压引脚连接集成运算放大器的输出端，集成运算放大器的同相输入端连接八位乘法型数模转换器的模拟参考地引脚，集成运算放大器反相输入端连接八位乘法型数模转换器的电流输出引脚，通过控制八位乘法型数模转换器的数字量输入，对差分放大器的输出电压进行放大。
如图4所示，本实施例的原理简化框图，设外接测试电源输出电压为V，衰减器是由电阻网络构成衰减系数为K1；乘法型数模转换的位数为N，乘法型数模转换器的输入数字量为Dx1，那么Dx1的取值范围是[0，2N-1]；八位乘法型数模转换器的数字输入量为Dx2，Dx2的取值范围是[1，255]；再设流过采样电阻Rs的电流为I，于是：
首先，根据乘法型数模转换器的内部结构，对于八位乘法型转换器、2.8kΩ电阻和集成运放构成的放大器，设其放大倍数为K2，则输入集成运算放大器反相输入端的电流为I1，则
由参考电压引脚流入集成运算放大器反相输入端的电流为I2，则
根据“虚短”，进一步可得
I2＝I1……(3)
于是，有
进一步，可得
设集成运算放大器U1的同相输入端电压为V+和反相输入端V-，即对于U1、驱动电路、功率管、衰减器、乘法型数模转换器、采样电阻、放大器构成的深度负反馈电路，虚短成立，那么
V+＝V-……(6)
进一步，可得
再进一步，得
将(5)式代入(8式)，
于是，根据式(9)，本发明一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置，可实现恒定电阻值模拟，Dx1、Dx2为数字可调变量，K1为电阻网络提供的衰减倍数。
假设N＝8，则上述电路可通过两只价格低廉的8位分辨率乘法型数模转换器起到价格高昂的16数字电位器所能实现的效果；当N＝10时，则上述电路可通过两只价格低廉的10位分辨率乘法型数模转换器起到相当于18数字电位器所能实现的效果；当N＝12时，则上述电路可通过两只价格低廉的12位分辨率乘法型数模转换器起到相当于20数字电位器所能实现的效果。
如图5所示，本实施例的电路原理图，限幅单元1，电压高幅度值的上限可通过滑动变阻器VR1进行调节，低幅度值的下限可以通过滑动变阻器VR2进行调节，调节时应该先查找功率管Q2对应型号的数据手册，找到Q2对应型号数据手册中的栅极控制电压下限和上限为参考，以防止功率管进入死区或过载；PID单元2，用来消除系统运行过程中积累的误差；比较单元3，将来自U2乘法型数模转换器的电压输出与来自电流在采样电阻上产生电压经过放大后的信号进行比较，差值送PID单元2进行后续处理；电流采样放大单元4，包括差分采样和可控增益放大两个部分。由运放U4B，电阻R16，R17，R18，R19组成差分放大器对采样电阻上的电压进行差分采样，以消除共模干扰；电阻R15的阻值为2800Ω，精度为千分之一，温漂小于10ppm，电阻R15、八位乘法型数模转换器U6、电容C12及继承运算放大器U5A组成程控增益放大电路，实现对差分输出电压的可调倍数放大；驱动电路5，其中电阻R13，R14，电容C11，二极管D6，D7，D8，三极管Q3，Q4组成软启动电路，保证每次开机时Q2的初始状态一致；U6为八位乘法型数模转换芯片，U2可以为更高位数的乘法型数模转换芯片，分别对应式(9)中参数Dx2和参数Dx1，由DSP控制输出；U7为电压采样单元，需要确保其闭环控制的相位满足深度负反馈的要求，此部分电路为缩略图，具体设计可以多种方式和方法。
将程序编译完成并下载，确保时钟和硬件资源正常后，即可进行基于乘法型数模转换器的电阻模拟，以下步骤表示程序中事件发生的先后顺序，本发明选择的是N＝8的乘法型数模转换器，Rs＝0.1欧姆的采样电阻。
1.在DSP程序中设定要实现的恒阻R的值，DSP程序在判断阻值R有效性后自动选择电阻量程，量程分为高中低三个档位，不同的量程对应不同的衰减系数K1。K1与硬件电路相关，对于式(9)在量程选定后，K1即可当作常数处理。
2.根据式(9)，DSP将计算得到一组合适的Dx1，Dx2分别发送到乘法型数模转换芯片U2和U6，开启负载开关。
3.通过采样图5中电压V，电流I的值并回读到DSP中(采样电路和DSP控制电路未在图5中详尽给出)，与前一次设置的R值进行比较。如果经由V/I算得的值偏小，根据式(9)调小Dx1，Dx2的乘积值；如果经由V/I算得的值偏大，根据式(9)调大Dx1，Dx2的乘积值，将新的一组值分别发送到DAC芯片U1和U4。
4.重复步骤3进行循环控制，配合图5中PID单元模块消除系统误差，限幅单元模块防止功率管进入死区或过载，直到所要实现的恒阻R与V/I得到的电阻值在一定误差范围内，则实现了恒阻R的拉载。
以上实现的是单一恒定电阻值拉载，如果要实现不同阻值的拉载，只需要将DSP和上位机通过串口等通信端口连接，通过上位机实时控制所要实现的电阻值即可。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置，包括数字信号处理器DSP、隔离器、乘法型数模转换器、反相器、比较单元、PID单元、限幅单元、驱动电路、功率管、采样电阻、差分放大器、放大器、衰减器、跟随器、数字地、模拟地和外接测试电源，数字信号处理器DSP以数字地为参考连接隔离器的一侧，隔离器的另一侧以模拟地为参考连接乘法型数模转换器的输入端，乘法型数模转换器的输入端还连接跟随器的输出端，乘法型数模转换器的输出端连接到反相器的输入端，反相器的输出端连接比较单元的同相输入端，比较单元的反相输入端连接放大器的输出端，比较单元的输出端连接到PID单元的输入端，PID单元的输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的输入端还连接到限幅单元，驱动电路的输出端连接到功率管的栅极，功率管的栅极连接外部电源的正极性端，外部电源的正极性端连接衰减器的输入端，衰减器的输出端连接跟随器的输入端，功率管的漏极连接采样电阻的一端，采样电阻的一端连接差分放大器的反相输入端，采样电阻的另一端连接差分放大器的同相输入端，差分放大器的输出端连接放大器的输入端，放大器的输出端连接比较器单元的反相输入端，采样电阻的另一端还连接模拟地，模拟地连接外部电源的负极性端。
2.根据权利要求1所述的一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置，其特征在于：所述数字信号处理器DSP通过隔离器发出控制指令对乘法型数模转换器设置，乘法型数模转换器和反相器组成可控增益的衰减器，根据来自数字信号处理器DSP的指令，对输入模拟电压分压后输出到比较单元；流过采样电阻的电流在采样电阻上产生电压，差分放大器对采样电阻上的电压进行差分放大；放大器采用乘法型模数转换器和集成运放放大器组成的可控增益放大器；衰减器采用电阻网络对电源的输出电压进行衰减；比较单元对来自放大器的输出电压与数模转换器的输出电压进行比较，比较的结果送至PID单元，限幅单元负责监控PID单元的输出电压范围；由PID单元的输出控制运放驱动电路中扩流晶体管的导通程度。
3.根据权利要求1所述的一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置，其特征在于：所述乘法型数模转换器、反相器、比较单元、PID单元、驱动电路、功率管、采样电阻、衰减器、跟随器、外接测试电源和放大器的输出量组成深度负反馈电路，构成电压串联负反馈；比较单元、PID单元、驱动电路、功率管、采样电阻、差分放大器、放大器、外接测试电源和乘法型数模转换器的输出量组成深度负反馈电路，构成电流串联负反馈，以实现恒电阻的功能。
4.根据权利要求1所述的一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置，其特征在于：所述跟随器的输出端连接乘法型数模转换器的参考电压引脚，乘法型数模转换器的反馈电阻引脚连接反相器的输出端，集成运算放大器的同相输入端连接乘法型数模转换器的模拟参考地引脚，集成运算放大器反相输入端连接乘法型数模转换器的电流输出引脚，通过控制乘法型数模转换器的数字量输入。
5.根据权利要求1所述的一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置，其特征在于：所述放大器由八位乘法型数模转换器、输入电阻和集成运算放大器组成；输入电阻的一端连接差分放大器的输出端，输入电阻的另一端连接八位乘法型数模转换器的反馈电阻引脚，八位乘法型数模转换器的参考电压引脚连接集成运算放大器的输出端，集成运算放大器的同相输入端连接八位乘法型数模转换器的模拟参考地引脚，集成运算放大器反相输入端连接八位乘法型数模转换器的电流输出引脚，通过控制八位乘法型数模转换器的数字量输入，对差分放大器的输出电压进行放大。
6.根据权利要求5所述的一种基于乘法型数模转换器的电阻模拟装置，其特征在于：所述输入电阻的阻值为2800Ω。
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