CN108712077B - 一种低漂移低噪声直流高压输出电路 - Google Patents

一种低漂移低噪声直流高压输出电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低漂移低噪声直流高压输出电路，包括电源电路、求和电路、基准电压电路、高压放大模块、高压输出显示模块。本发明可以实现高压放大模块外控输入电压手动连续可调，以及提供自动连续可调接口，且提供多种不同的调节幅度；电压基准电路为高压放大模块供电，同时为求和电路提供基准电压，确保高压模块外控电压的稳定。根据实际需求，可以制作多块这种低漂移低噪声直流高压输出电路可以组装成体积小，多通道、不同输出范围的高压装置。

Description

一种低漂移低噪声直流高压输出电路
技术领域
本发明涉及离子囚禁领域，具体涉及一种低漂移低噪声直流高压输出电路。适用于光学频标、量子光学、量子信息等需要稳定高压输出的领域。
背景技术
在光频标领域中，参考的物理体系主要有原子体系和离子体系，其中基于原子体系的光频标主要参考光晶格内的多个囚禁原子来实现；而基于离子体系的光频标主要参考囚禁离子来实现。离子体系需要离子阱结合利用射频场和直流电场将离子俘获和稳定囚禁在一定空间范围内。其中用于调节离子位置的直流电场需要使用直流高压电源，根据使用的阱的结构和实际的实验需要直流高压的输出范围一般小于1000V。低漂移低噪声的高压输出对于稳定的囚禁离子是非常重要的。
一般商用的直流高压源，价格昂贵，并且输出漂移大。当实验需要多通道高压输出时，往往需要多台商用高压源，这样使得实验成本更高，还浪费实验室空间。因此本发明提出一种低漂移低噪声直流高压输出电路设计方案，制作成本低，输出电压稳定，且可以制作多块这样的电路，组装成多通道、体积小不同输出范围的高压输出装置，满足实际实验需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种低漂移低噪声直流高压输出电路，用简易的电路实现低漂移低噪声直流高压输出，作为一种直流高压源应用在离子囚禁的领域，具体用在离子阱囚禁离子的补偿极和帽极供电。稳定的高压供电输出，能够更精确的改变离子势阱中的位置，从而更好的实现离子的稳定囚禁。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种低漂移低噪声直流高压输出电路，包括电源电路，还包括电压基准电路，
电源电路与电压基准电路连接，电压基准电路输出的基准电压经过电位器分压后获得基准分压电压，基准分压电压通过分压限流电阻与第一运算放大器的反相端连接，第一运算放大器的同相端接电气地，外部输入电压通过拨码器的拨码子开关以及拨码子开关对应的拨码器限流电阻与第一运算放大器的反相端连接，第一运算放大器的反向端通过反馈电阻与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端与反相器的输入端连接，电压基准电路输出的基准电压输入到高压放大模块的电源供电端，反相器的的输出端与高压放大模块的输出电压调节端连接。
如上所述的拨码子开关以及拨码子开关对应的拨码器限流电阻构成求和支路，求和支路为多条，每条求和支路均一端与外部输入电压连接，另一端与第一运算放大器的输出端连接。
如上所述的电压基准电路包括基准电路电源芯片和扩流三极管，基准电路电源芯片的型号为AD581JH，扩流三极管的型号为2N6040G，电源电路的输出电压分别与基准电路限流电阻一端和扩流三极管的发射极连接，基准电路限流电阻另一端分别与基准电路电源芯片的输入端和扩流三极管的基极连接，扩流三极管的集电极与基准电路电源芯片的输出端连接，基准电路电源芯片的输入端和输出端并联有基准电路稳压电容。
如上所述的反相器的的输出端与二极管的阴极连接，二极管的阳极接电气地。
本发明相对于现有技术具有以下优点：
1、用低成本简单的电路实现低漂移低噪声直流高压输出。
2、可以手动调节输出，以及提供外加程序自动调节高压输出的接口。
3、根据实际需求，可以组装成体积小，多通道、不同输出范围的高压装置。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为电源电路原理图；
图3为电压基准电路的电路原理图；
图4为高压放大模块的电路示意图；
图5为求和电路原理图；
图6为电压漂移测试结果图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～5所示，一种低漂移低噪声直流高压输出电路，包括电源电路，还包括电压基准电路，
电源电路与电压基准电路连接，电压基准电路输出的基准电压经过电位器分压后获得基准分压电压，基准分压电压通过分压限流电阻与第一运算放大器的反相端连接，第一运算放大器的同相端接电气地，外部输入电压通过拨码器的拨码子开关以及拨码子开关对应的拨码器限流电阻与第一运算放大器的反相端连接，第一运算放大器的反向端通过反馈电阻与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端与反相器的输入端连接，电压基准电路输出的基准电压输入到高压放大模块的电源供电端，反相器的的输出端与高压放大模块的输出电压调节端连接。所述的拨码子开关以及拨码子开关对应的拨码器限流电阻构成求和支路，求和支路为多条，每条求和支路均一端与外部输入电压连接，另一端与第一运算放大器的输出端连接。电压基准电路包括基准电路电源芯片和扩流三极管，基准电路电源芯片的型号为AD581JH，扩流三极管的型号为2N6040G，电源电路的输出电压分别与基准电路限流电阻一端和扩流三极管的发射极连接，基准电路限流电阻另一端分别与基准电路电源芯片的输入端和扩流三极管的基极连接，扩流三极管的集电极与基准电路电源芯片的输出端连接，基准电路电源芯片的输入端和输出端并联有基准电路稳压电容。反相器的的输出端与二极管的阴极连接，二极管的阳极接电气地
在本实施例中，电源电路将220V市电转换成稳定的±15V直流电压，电压基准电路的为电源芯片AD581JH以及与电源芯片AD581JH适配的扩流三极管(型号2N6040G)，电压基准电路输出的基准电压为10V，反相加法器和反相器构成求和电路，反相加法器可采用第一运算放大器实现，反相器可采用第二运算放大器实现，第一运算放大器和第二运算放大器可选用集成的AD4522-2，其含有集成EMI滤波器；第二运算放大器的输出端通过二极管1N4104接电气地。高压放大模块可选用15Z102-3C10V，显示模块可选择显示精度0.1％，显示范围0-500V电压表头。
电源电路，如图2所示，包括整流桥电路、NTC热敏电阻、π型滤波电路、一阶RC低通滤波电路、三端集成稳压器。其中整流桥电路，其作用是将220V交流(220V交流经过电源变压器得到)转变成脉动直流电压输出，经过NTC热敏电阻(图2中的R3，R4)，其功能是有效地抑制开机浪涌电流，保护电路。π型滤波电路(由电容电感组合而成)，其功能是消除脉动的直流电压中含有的纹波；一阶RC低通滤波电路(图2中的电阻R1，R5，R6，R7以及电容C4，C10，C11，C13)其功能是起到再一次滤波的作用；三端集成稳压器(可选择L7815和L7915)，其功能是维持±15V直流电压稳定输出。
基准电压电路，如图3所示，其中包括一个精密电阻(可选阻值470Ω，阻值容差±0.01％，温度系数±0.2ppm/℃)，一个电容(可选0.1uF)，以及AD581JH，其功能是给求和电路中电位器(BOURNS)提供+10V精密电压基准，同时也给高压放大模块供电；为防止电路中电流过小，利用扩流三极管2N6040G进行扩流，满足电路正常工作需求。
高压放大模块(可选型号15Z102-3C10V)，如图4所示，调节方式是外控输入电压(Vadj)0V～+10V，输出电压是0V～+1000V。可以根据实际需求，通过更改求和电路中精密低漂移电阻(图5中的电阻R13和电阻R12)的比值来调节外控输入电压值的范围(不超过+10V)，从而获得0V～+200V、0V～+500V、0V～+1000V等不同的高压输出范围。
求和电路，如图5所示，由反相加法器和反相器构成，反相加法器和反相器分别由第一运算放大器和第二运算放大器实现，第一运算放大器和第二运算放大器可采用零漂移精密集成双运放芯片AD4522-2，并且其含有EMI滤波器，能够滤掉高频噪声；精密低漂移电阻(图5中，R18、R12、R13、R17、R16均为1k，R1为10k，R15为100k，阻值容差±0.01％，温度系数±0.2ppm/℃)；电位器可选用BOURNS精密电位器(可选电阻5k，最大功率2W)；二极管1N4104，其功能保证第二运算放大器的输出端不会出现负电压；拨码开关S1(可选三档位拨码开关)。
当S1开关3档接通，利用虚短虚断概念可以得到：
其中外部输入电压(Vin1)可以外接到板卡，通过程序控制板卡，实现输出电压自动调节，三档位拨码开关，不同的档位可以选择不同的调节幅度；Vin1可以通过基准电压电路经电位器分压获得，从而实现手自一体调节反相器的输出Vadj。另外精密电阻的温度系数非常低，可以确保公式(1)中电阻值随温度变化趋近于零，而外部输入电压(Vin1)漂移由板卡输出电压漂移决定(可选择输出长时间漂移＜1mV的板卡)；Vin2漂移在mV量级，其漂移是有精密基准电压(+10V)的漂移以及BOURNS精密电位器阻值漂移决定。综上所述，根据公式(1)可得，高压模块外控输入电压Vadj漂移在mV量级。
直流电压显示模块，可选择显示精度0.1％，显示范围0-500V电压表头。其作用是用于显示高压输出的相对值，这可以根据实际需求可以选择显示精度更高的表头。
如图6所示，测试低漂移低噪声直流高压输出电路高压输漂移，有图可知此时高压输出值为400.76V，18000s电压漂移5mV，漂移幅度0.0012％，完全满足离子阱囚禁离子补偿极和帽极供电对电压稳定性的需求。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种低漂移低噪声直流高压输出电路，包括电源电路，其特征在于，还包括电压基准电路，
电源电路与电压基准电路连接，电压基准电路输出的基准电压经过电位器分压后获得基准分压电压，基准分压电压通过分压限流电阻与第一运算放大器的反相端连接，第一运算放大器的同相端接电气地，外部输入电压通过拨码器的拨码子开关以及拨码子开关对应的拨码器限流电阻与第一运算放大器的反相端连接，第一运算放大器的反相端通过反馈电阻与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端与反相器的输入端连接，电压基准电路输出的基准电压输入到高压放大模块的电源供电端，反相器的输出端与高压放大模块的输出电压调节端连接，
拨码子开关以及拨码子开关对应的拨码器限流电阻构成求和支路，求和支路为多条，每条求和支路均一端与外部输入电压连接，另一端与第一运算放大器的输出端连接，
电压基准电路包括基准电路电源芯片和扩流三极管，基准电路电源芯片的型号为AD581JH，扩流三极管的型号为2N6040G，电源电路的输出电压分别与基准电路限流电阻一端和扩流三极管的发射极连接，基准电路限流电阻另一端分别与基准电路电源芯片的输入端和扩流三极管的基极连接，扩流三极管的集电极与基准电路电源芯片的输出端连接，基准电路电源芯片的输入端和输出端并联有基准电路稳压电容。
2.根据权利要求1所述的一种低漂移低噪声直流高压输出电路，其特征在于，所述的反相器的输出端与二极管的阴极连接，二极管的阳极接电气地。
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