CN109085788A - 一种低噪声电压可调电路及系统 - Google Patents
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Abstract
电压可调电路的实现主要就是通过调整VDD_ADJ和VDD_BIAS的电压，同时为了降低功耗，应同步调整VDD_ADJ和VDD_BIAS的电压，使其压差尽量小（不能小于350mV），待电压值设置正确后再将BIAS_EN信号拉高，使U2芯片正常工作，若在正常工作时需要实时调整偏置电压VDD_BIAS，则需分两种情况来调整：1、若VDD_BIAS电压值需要调高，则需要先通过IIC信号将U1芯片的输出电压VDD_ADJ电压调高，然后再通过IIC信号将U2的输出偏置电压VDD_BIAS调高，如此反复；2、若VDD_BIAS电压值需要调低，则需要先通过IIC信号将U2芯片的输出偏置电压VDD_BIAS调低，然后再通过IIC信号将U1的输出电压VDD_ADJ调低，如此反复；这样可以防止U2芯片的压差小于350mV而损坏芯片。输入电压VDD_IN的电压范围为2.5V‑‑15V，VDD_ADJ的电压范围为2.5V‑‑15V，偏置电压VDD_BIAS的电压范围为0‑‑14.65V。
Description
技术领域
本发明属于红外热成像技术领域，更具体地，涉及一种低噪声电压可调的装置及方法。
背景技术
红外探测器是热成像系统的核心部件，是探测、识别和分析物体红外信息的关键，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛的应用。红外探测器可分为制冷型红外焦平面探测器和非制冷红外焦平面探测器，制冷型红外焦平面探测器的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，探测距离较远，主要应用于高端军事装备；非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。
由于照射到焦平面上的红外辐射所产生的信号电流非常小，一般为纳安级甚至皮安级，这种小信号对噪声很敏感，很容易受到其他噪声的干扰，因此电路上的信号噪声要控制的尽量小，以免对探测器的灵敏度造成影响，从而影响成像效果。因此给探测器提供偏置电压以及给信号提供基准源的电压噪声十分重要，其中有的探测器偏置电压需要可调，目前采用的方案是分两种情况：1、利用低噪声的基准电压源产生一个固定的低噪声电压，然后通过电阻分压的方式得到所需的偏置电压；2、若偏置电压高于已有的基准电压源的电压，则需要先通过DC/DC电源芯片将电压升高，然后再通过低噪声的低压差线性稳压器得到所需的偏置电压。如果偏置电压变化范围很大，既有高于基准电压源的电压，也有低于基准电压源的电压，那么现有方案就无法满足。
如公开号为CN101908857A的发明专利低噪声电压控制振荡电路，其在说明书的具体实施方式中的第0032段和第0086段分别提到“本发明的实施例的电压控制震荡电路具有：驱动用晶体管...振荡用晶体管...滤波器电路...缓冲放大器...”、“本发明适合于能够除去电源噪声而使低频噪声的特性良好的低噪声电压控制振荡电路”，以上可见，其电路结构相对复杂，适合于调整振荡频率的应用，即仅涉及电源噪声处理，并不涉及到低噪声电压可调。
如公开号为CN105226766A的发明专利一种低噪声偏置器，其在说明书的具体实施方式中的第0022段和第0027段分别提到“本发明的低噪声偏置器，包括充电电路、充电开关显示灯12和金属外壳”、“所述的多档位正电压组由四个镍氢电池串联而成，提供4个档位的正电压，分别为1.2V、2.4V、3.6V和4.8V”，以上可见，其低噪声电压是用于电池充电设备，且输出电压值不是连续可调。
如公开号为CN201417179的发明专利一种用于红外成像探测器的低噪声数控偏置电压产生电路，其在说明书的具体实施方式中的第2段和第5段分别提到“该数控电压产生单元接收一外部控制单元的数字信号，输出所需要幅值的电压信号V1”、“所述滤波单元102是由电阻R3、电容C4、C5组成，这是一个典型的低通滤波器，从数控电压产生电路输出的电压信号经过这个滤波器后，绝大部分噪声被滤掉，从而达到偏置电压所要求的苛刻的电压噪声指标”，以上可见，其低噪声电压的实现主要是通过电阻电容组成的低通滤波器进行滤波实现，该方法的实现对输入的电压信号噪声要求较高，而且电阻电容的值随着输入电压的不同而不同，设计较复杂；第四段提到“所述DAC集成电路可以同时输出4路独立电压，每一路输出电压都具有10位的分辨率，0V~+5V的电压范围，5mV的输出精度”，以上可见，其输出电压受基准电压源的限制，只能输出0V~+5V的电压范围，而高于5V的低噪声电压无法输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低噪声电压可调电路系统，不仅电压可调范围大，而且功耗低。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种低噪声电压可调电路及系统，包括低噪声电压可调模块、探测器模块、信号处理模块电路、FPGA或MCU模块以及外设；低噪声电压可调模块电路是本装置的核心部分；探测器是实现物体照射到焦平面上的红外辐射而产生信号；信号处理模块电路是将探测器产生的小信号进行各种处理传到FPGA或MCU，以及接收FPGA或MCU的控制信号；FPGA或MCU主芯片来实现控制信号及数据信号的控制和处理，以及与外设之间的交互；外设是实现与外部设备（如按键、显示屏等）的交互。
其步骤包括：
（1）外部设备给FPGA或MCU模块发送调节命令；
（2）FPGA或MCU模块控制低噪声电压可调模块输出低噪声的 Vbias偏置电压；
（3）探测器模块在低噪声的Vbias偏置电压下工作输出模拟视频信号；
（3）模拟视频信号通过信号处理模块及FPGA模块处理后在外设设备（显示屏）上显示成像效果。
如图2所示，低噪声电压可调模块包括U1、U2、U3、U4、U5五个低噪声、低功耗芯片，它们分别为：所述U1将输入电压VDD_IN（2.5V--15V）的电压通过升压或降压转换成输出电压VDD_ADJ（2.5V--15V）；所述U2将输入电压VDD_ADJ（2.5V--15V）降压转换成VDD_BIAS（0--14.65V）；所述U3串联后，可调电阻值范围为0--200kΩ；所述U4提供2.5V的低漂移基准电压源给U5；所述U5将电压值相应的放大后从而调整VDD_ADJ的电压值。
进一步的，所述U1 为同步降压-升压型DC/DC转换器，可在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下获得稳压输出，输入和输出电压范围为2.5V--15V，效率最高为95%，最大连续输出电流1.5A。
进一步的，所述U2为低压差线性稳压器，最大输出电流200mA，输入电压范围为1.8V--20V，输出电压范围为0V--15V，输入与输出电压压差为350mV，超低RMS噪声0.8μV，超高PSRR为79dB，静态工作电流2mA，在停机模式中减小至<<1μA。
进一步的，所述U3为双路数字电位器，电阻值为100kΩ，每个电位器256级抽头，内置非易失 EEPROM，用来存储滑动端的位置，以便在上电时进行初始化，通过IIC接口来配置电位器的阻值，1µA (最大值)静态供电电流。
进一步的，所述U4为16位DAC芯片，高相对精度16位最大±2 LSB，低漂移2.5 V基准电压源：2 ppm/°C(典型值)，可选输出电压范围2.5 V或5 V，低功耗1.2 mW (3.3 V)，输出电压噪声可达16.5µV p-p。
进一步的，所述U5为高速放大器，轨至轨输入和输出、1.9nV/√Hz 超低噪声、低功率、100MHz 单路运算放大器。
进一步的，所述U1的与U2的电连接；所述U1与U5电连接；所述U4与U5电连接；所述U3与U2电连接；所述U4与FPGA或MCU电连接；所述U3与FPGA或MCU电连接；所述U2与FPGA或MCU电连接；所述U2与探测器电连接。
电压可调电路的实现主要就是通过调整VDD_ADJ和VDD_BIAS的电压，同时为了降低功耗，应同步调整VDD_ADJ和VDD_BIAS的电压，使其压差尽量小（不能小于350mV），待电压值设置正确后再将BIAS_EN信号拉高，使U2芯片正常工作，若在正常工作时需要实时调整偏置电压VDD_BIAS，则需分两种情况来调整：1、若VDD_BIAS电压值需要调高，则需要先通过IIC信号将U1芯片的输出电压VDD_ADJ电压调高，然后再通过IIC信号将U2的输出偏置电压VDD_BIAS调高，如此反复；2、若VDD_BIAS电压值需要调低，则需要先通过IIC信号将U2芯片的输出偏置电压VDD_BIAS调低，然后再通过IIC信号将U1的输出电压VDD_ADJ调低，如此反复；这样可以防止U2芯片的压差小于350mV而损坏芯片。输入电压VDD_IN的电压范围为2.5V--15V，VDD_ADJ的电压范围为2.5V--15V，偏置电压VDD_BIAS的电压范围为0--14.65V。
附图说明
图1为低噪声电压可调电路及系统的架构图。
图2为低噪声电压可调模块的电路原理图。
图3为公式1。
图4为公式2。
图5为公式3。
图6为公式4。
图7为公式5。
图8为公式6。
图9为公式7。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如附图1所示，一种低噪声电压可调电路及系统，其特征在于，包括低噪声电压可调模块、探测器模块、信号处理模块电路、FPGA或MCU模块以及外设；低噪声电压可调模块电路是本装置的核心部分；探测器是实现物体照射到焦平面上的红外辐射而产生信号；信号处理模块电路是将探测器产生的小信号进行各种处理传到FPGA或MCU，以及接收FPGA或MCU的控制信号；FPGA或MCU主芯片来实现控制信号及数据信号的控制和处理，以及与外设之间的交互；外设是实现与外部设备（如按键、显示屏等）的交互。
其步骤为：
（1）外部设备给FPGA或MCU模块发送调节命令；
（2）FPGA或MCU模块控制低噪声电压可调模块输出低噪声的 Vbias偏置电压；
（3）探测器模块在低噪声的Vbias偏置电压下工作输出模拟视频信号；
（3）模拟视频信号通过信号处理模块及FPGA模块处理后在外设设备（显示屏）上显示成像效果。
如附图2所示，低噪声电压可调模块包括U1、U2、U3、U4、U5五个低噪声、低功耗芯片，分别为：
U1：型号为LTC3111，同步降压-升压型DC/DC转换器，可在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下获得稳压输出，输入和输出电压范围为2.5V--15V，效率最高为95%，最大连续输出电流1.5A；
U2：型号为LT3042，超低噪声、超高电源抑制比（PSRR）线性稳压器，最大输出电流200mA，输入电压范围为1.8V--20V，输出电压范围为0V--15V，输入与输出电压压差为350mV，超低RMS噪声0.8μV，超高PSRR为79dB，静态工作电流2mA，在停机模式中减小至<<1μA；
U3：型号为MAX5479，非易失、双路、线性变化的数字电位器，电阻值为100kΩ，每个电位器256级抽头，内置非易失 EEPROM，用来存储滑动端的位置，以便在上电时进行初始化，通过IIC接口来配置电位器的阻值，1µA (最大值)静态供电电流；
U4：型号为AD5693R，16位IIC DAC芯片，高相对精度16位最大±2 LSB，低漂移2.5 V基准电压源：2 ppm/°C(典型值)，可选输出电压范围2.5 V或5 V，低功耗1.2 mW (3.3 V)，输出电压噪声可达16.5µV p-p；
U5：型号为LT6202，高速放大器，轨至轨输入和输出、1.9nV/√Hz 超低噪声、低功率、100MHz 单路运算放大器。
同步降压-升压型DC/DC转换器U1的第10引脚与所述低压差线性稳压器U2的第1、2、6引脚电连接；所述同步降压-升压型DC/DC转换器U1的第2引脚通过R9与所述高速放大器U5的第1引脚电连接；所述16位DAC芯片U4的第7、8引脚通过R8、R10与所述高速放大器U5的第3、4引脚电连接；所述双路数字电位器U3的第15引脚与所述低压差线性稳压器U2的第7引脚电连接；所述16位DAC芯片U4的第5、6引脚与所述FPGA或MCU电连接；所述双路数字电位器U3的第2、3引脚与所述FPGA或MCU电连接；所述低压差线性稳压器U2的第3引脚与所述FPGA或MCU电连接；所述低压差线性稳压器U2的第9、10引脚与所述探测器电连接。
U1将输入电压VDD_IN（2.5V--15V）的电压通过升压或降压转换成输出电压VDD_ADJ（2.5V--15V）；所述U2将输入电压VDD_ADJ（2.5V--15V）降压转换成VDD_BIAS（0--14.65V）；所述U3串联后，可调电阻值范围为0--200kΩ；所述U4提供2.5V的低漂移基准电压源给U5；所述U5将电压值相应的放大后从而调整VDD_ADJ的电压值。
通过FPGA或MCU发送IIC信号IIC_SDA、IIC_SCL分别控制DAC芯片（U4）的输出电压值和数字电位器（U3）的电阻值来调整电压值VDD_ADJ和VDD_BIAS，从而得到所需的可调的VDD_BIAS电压值；通过FPGA或MCU发送BIAS_EN信号来控制低压差线性稳压器（U2）进入正常工作模式，一方面降低静态功耗，另一方面防止U2工作异常损坏芯片。
电压可调电路的实现主要就是通过调整VDD_ADJ和VDD_BIAS的电压，同时为了降低功耗，应同步调整VDD_ADJ和VDD_BIAS的电压，使其压差尽量小（不能小于350mV），待电压值设置正确后再将BIAS_EN信号拉高，使U2芯片正常工作，若在正常工作时需要实时调整偏置电压VDD_BIAS，则需分两种情况来调整：1、若VDD_BIAS电压值需要调高，则需要先通过IIC信号将U1芯片的输出电压VDD_ADJ电压调高，然后再通过IIC信号将U2的输出偏置电压VDD_BIAS调高，如此反复；2、若VDD_BIAS电压值需要调低，则需要先通过IIC信号将U2芯片的输出偏置电压VDD_BIAS调低，然后再通过IIC信号将U1的输出电压VDD_ADJ调低，如此反复；这样可以防止U2芯片的压差小于350mV而损坏芯片。输入电压VDD_IN的电压范围为2.5V--15V，VDD_ADJ的电压范围为2.5V--15V，偏置电压VDD_BIAS的电压范围为0--14.65V。
具体的电路参数计算：
①DAC芯片U4的输出电压V(DAC_OUT)是由芯片内部直接得到的，电压范围是0--2.5V，根据公式1可知，通过IIC来配置U4芯片内的参数D（D是载入DAC寄存器的二进制编码的十进制等效值，通过IIC可以配置值为0--65536），即可以得到输出电压V(DAC_OUT)的值为0--2.5V；
②放大器U5此处作为差动放大器，此处的电阻R7、R8、R10、R11应满足公式2，经过U5放大器后的电压公式3，其中V(REF)为2.5V，整理后得公式4；
③降压-升压型DC/DC转换器U1的输出电压VDD_ADJ是由芯片U1、U4、U5共同决定，为公式5，其中V(FB)由芯片资料可知为0.8V，整理后得到公式6；
④低压差线性稳压器U2的输出电压VDD_BIAS是由U2和U3决定，为公式7，其中I(set)由芯片资料可知为0.1mA；R(set)的阻值由数字电位器U3可得，数字电位器U3的两路串联连接，阻值可由IIC配置范围为0~200kΩ。
以上实施例仅是对本发明的技术方案做进一步说明，而非限制本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (8)
1.一种低噪声电压可调电路及系统，其特征在于，包括低噪声电压可调模块、探测器模块、信号处理模块电路、FPGA或MCU模块以及外设；其步骤为：
（1）外部设备给FPGA或MCU模块发送调节命令；
（2）FPGA或MCU模块控制低噪声电压可调模块输出低噪声的 Vbias偏置电压；
（3）探测器模块在低噪声的Vbias偏置电压下工作输出模拟视频信号；
（3）模拟视频信号通过信号处理模块及FPGA模块处理后在外设设备（显示屏）上显示成像效果。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声电压可调电路及系统，其特征在于，所述低噪声电压可调模块包括U1、U2、U3、U4、U5五个低噪声、低功耗芯片，所述U1将输入电压VDD_IN（2.5V--15V）的电压通过升压或降压转换成输出电压VDD_ADJ（2.5V--15V）；所述U2将输入电压VDD_ADJ（2.5V--15V）降压转换成VDD_BIAS（0--14.65V）；所述U3串联后，可调电阻值范围为0--200kΩ；所述U4提供2.5V的低漂移基准电压源给U5；所述U5将电压值相应的放大后从而调整VDD_ADJ的电压值。
3.根据权利要求2所述的一种低噪声电压可调电路及系统，其特征在于，所述U1 为同步降压-升压型DC/DC转换器，可在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下获得稳压输出，输入和输出电压范围为2.5V--15V，效率最高为95%，最大连续输出电流1.5A。
4.根据权利要求2所述的一种低噪声电压可调系统，其特征在于，所述U2为低压差线性稳压器，最大输出电流200mA，输入电压范围为1.8V--20V，输出电压范围为0V--15V，输入与输出电压压差为350mV，超低RMS噪声0.8μV，超高PSRR为79dB，静态工作电流2mA，在停机模式中减小至<<1μA。
5.根据权利要求2所述的一种低噪声电压可调电路及系统，其特征在于，所述U3为双路数字电位器；电阻值为100kΩ，每个电位器256级抽头，内置非易失 EEPROM，用来存储滑动端的位置，以便在上电时进行初始化，通过IIC接口来配置电位器的阻值，1µA (最大值)静态供电电流。
6.根据权利要求2所述的一种低噪声电压可调电路及系统，其特征在于，所述U4为16位DAC芯片，相对精度16位最大±2 LSB，低漂移2.5 V基准电压源：2 ppm/°C(典型值)，可选输出电压范围2.5 V或5 V，低功耗1.2 mW (3.3 V)，输出电压噪声可达16.5µV p-p。
7.根据权利要求2所述的一种低噪声电压可调系统，其特征在于，所述U5为高速放大器，轨至轨输入和输出、1.9nV/√Hz 超低噪声、低功率、100MHz 单路运算放大器。
8.根据权利要求2所述的一种低噪声电压可调电路及系统，其特征在于，所述U1的与U2的电连接；所述U1与U5电连接；所述U4与U5电连接；所述U3与U2电连接；所述U4与FPGA或MCU电连接；所述U3与FPGA或MCU电连接；所述U2与FPGA或MCU电连接；所述U2与探测器电连接。
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