CN109752994A

CN109752994A - 一种高精度场电源程控系统

Info

Publication number: CN109752994A
Application number: CN201811518994.0A
Authority: CN
Inventors: 陶文泽; 胡向宇; 李存惠; 李斌
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-05-14

Abstract

本发明提供了一种高精度场电源程控系统，该程控系统为单电路板结构，电路板上设有一片作为控制单元的FPGA、两片以上用于输出控制电压的DAC、用于输入控制指令的键盘、作为状态显示的液晶屏以及用于输出控制信号的接插件；控制对象为外部DC/DC模块；DAC、键盘及液晶屏均与FPGA连接，一片DAC对应一路通道，一路通道控制一个DC/DC模块，所述接插件与各片DAC的输出连接；FPGA对从键盘输入的控制指令进行解析，生成相应的DAC配置时序，实现对DAC输出电压的控制，各片DAC的输出电压由接插件引出，输出电压即为各DC/DC模块的控制信号。本发明简单独立、控制精度高且可实现多路调节、效率高。

Description

一种高精度场电源程控系统

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种高精度场电源程控系统。

背景技术

在光探测、绝缘材料及半导体材料测试、电容耐压检测等领域，需要用场电源给光电倍增管、硅光电倍增器、被测材料及器件等提供偏置电压。而往往所要求提供的偏置电压需要连续可调且精度要求较高，偏置电压的质量对探测结果或测试结果的准确性影响很大。如近年来在光探测领域广泛应用的硅光电倍增器，其增益对环境温度变化非常敏感，需要通过调节加在其上的偏置电压来补偿温度变化引起的增益漂移，偏置电压的控制精度对硅光电倍增器的增益稳定性有很大影响。

依据应用领域的不同，场电源的输出幅度可从数伏到数千伏，跨度很大。因此，不同场电源采用的DC/DC模块也不尽相同，如有的场合直接采用厂商提供的DC/DC转换器，而有的场合则采用开关管、电感、运算放大器、PWM控制器等器件自行搭建DC/DC电路。

不论采用何种方式构建的DC/DC模块，均需通过设计合理的程控系统，对DC/DC模块进行控制。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高精度场电源程控系统，简单独立、控制精度高且可实现多路调节、效率高。

本发明采取的技术方案如下：

一种高精度场电源程控系统，所述程控系统为单电路板结构，电路板上设有一片作为控制单元的FPGA、两片以上用于输出控制电压的DAC、用于输入控制指令的键盘、作为状态显示的液晶屏以及用于输出控制信号的接插件；控制对象为外部DC/DC模块；

DAC、键盘及液晶屏均与FPGA连接，一片DAC对应一路通道，一路通道控制一个DC/DC模块，所述接插件与各片DAC的输出连接；FPGA对从键盘输入的控制指令进行解析，生成相应的DAC配置时序，实现对DAC输出电压的控制，各片DAC的输出电压由接插件引出，所述输出电压即为各DC/DC模块的控制信号。

进一步地，所述DAC采用串行DAC芯片，位宽在12位以上，输出电压范围

0～5V。

进一步地，所述控制指令的形式为：“通道号+结束符Ⅰ+DAC码值+结束符Ⅱ”，通道号用于选择本次的设定通道；结束符Ⅰ为“*”或“#”非数字符；DAC码值为所述设定通道对应的DAC芯片的DAC码设定值，当DAC位宽为12位时，DAC码值取值范围为“0～4095”；结束符Ⅱ为“*”或“#”非数字符，但不同于结束符Ⅰ。

进一步地，所述液晶屏显示各通道当前的DAC码值以及输入的控制指令字符。

进一步地，所述FPGA对控制指令的解析方法为：FPGA从控制指令中提取通道号及DAC码设定值，将所述通道号对应的DAC码当前值和DAC码设定值进行比较，若两者相等，则不进行调整；否则，产生DAC配置时序，向对应通道的DAC发送配置指令，调整DAC码当前值至DAC码设定值，使所述DAC输出电压达到设定值。

有益效果：

1、本发明采用单板结构，将输入、显示、控制及输出集成在单板上，无需上位机，体积小，使用灵活，携带方便；其次，采用多片DAC芯片实现多通道控制，同时控制多个DC/DC模块，提升效率，节省时间；再者，通过DAC输出的低电压来控制DC/DC模块输出的场电压，假设DC/DC模块满幅输出为V伏特，DAC位宽为12位，则系统的控制精度为V/2¹²伏特，实现了场电压的高精度控制；同时，利用键盘输入控制指令，在DAC码值取值范围内可对DAC码值进行任意设置，从而实现输出电压的连续可调。

2、本发明采用串行DAC芯片，与并行DAC芯片相比接口少，配置完成后，输出电压保持，无需持续提供配置信号，降低了配置信号对输出电压的干扰。在不改变状态的情况下不用重新配置，为被控对象提供的信号持续性好，引入噪声少，进一步提升程控系统的精度。

附图说明

图1为本发明的连接框图；

图2为本发明液晶屏显示内容；

图3为FPGA控制逻辑。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种高精度场电源程控系统，如图1所示，为单电路板结构，电路板上设有一片作为控制单元的FPGA、两片以上用作输出控制信号的DAC、用作输入指令的键盘、作为状态显示的液晶屏、以及用作将控制信号即DAC输出电压引出的接插件。控制对象为外部DC/DC模块。

键盘、液晶屏及DAC芯片的控制端口均接在FPGA上，由FPGA实现各器件的控制，一片DAC为一路通道，一路通道对应一个DC/DC模块，接插件与各片DAC连接。

DAC采用位宽至少为12位的串行DAC芯片，输出电压范围0～5V。串行DAC芯片在一次配置结束后，输出电压可保持，无需持续提供配置信号，这样可减少配置信号对输出电压的干扰；此外，串行DAC芯片配置端口少，一般仅需时钟、片选及数据三个控制端口。采用多片串行DAC芯片进行多通道配置时，各DAC芯片可共用时钟信号及数据信号，仅片选信号独立，以节省控制端口。各DAC芯片的输出电压即为各DC/DC模块的控制信号。

如图2所示，液晶屏用于向操作人员提供显示界面，显示各通道DAC码当前值以及测试人员输入控制指令时显示的字符。在FPGA内部，记录了各通道当前的DAC码值，FPGA产生控制时序，将各通道当前的DAC码值显示在液晶屏上；当通过键盘输入字符时，FPGA接收输入的字符，并产生控制时序，将输入的字符显示在液晶屏上。

键盘用于操作人员输入控制指令。控制指令的形式为：“通道号+结束符Ⅰ+DAC码值+结束符Ⅱ”。通道号用于选择要进行设定的通道，通过键盘“0～9”进行输入；结束符Ⅰ为“*”或“#”非数字符；DAC码值为该设定通道对应的DAC芯片的DAC码设定值，当DAC位宽为12位时，DAC码值取值范围为“0～4095”；结束符Ⅱ也为“*”或“#”非数字符，但必须与结束符Ⅰ不同。

FPGA对从键盘输入的控制指令进行解析，提取通道号及该通道号对应的DAC码设定值，并生成相应的DAC控制时序，实现对DAC输出电压的控制，接插件将各通道DAC输出电压引出，实现与被测DC/DC模块间的对接。与此同时，将所有通道的DAC码当前值输出至液晶屏上。

程控系统的核心原理是通过DAC输出的电压来控制DC/DC模块输出的电压，即由FPGA控制DAC输出0～5V的程控电压，由该电压驱动DC/DC模块输出对应的场电压。程控电压和场电压为线性关系，场电压的大小完全由程控电压控制。当DAC输出为0时，场电压输出为0；当DAC输出5V时，场电压为满幅输出。假设DC/DC模块满幅输出为V伏特，DAC位宽为12位，则可实现的控制精度为V/2¹²伏特。

如图3所示，上电后，FPGA控制各通道DAC输出0V；之后等待键盘输入完整正确的控制指令，FPGA从控制指令中提取通道号及DAC码设定值，将该通道号对应的DAC码当前值和DAC码设定值进行比较，若两者相等，则不进行调整，返回等待键盘输入新的控制指令；否则，产生DAC配置时序，向对应通道的DAC发送配置指令，调整DAC码当前值至DAC码设定值，使得该DAC输出电压达到设定值，然后返回等待键盘输入新的控制指令。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高精度场电源程控系统，其特征在于，所述程控系统为单电路板结构，电路板上设有一片作为控制单元的FPGA、两片以上用于输出控制电压的DAC、用于输入控制指令的键盘、作为状态显示的液晶屏以及用于输出控制信号的接插件；控制对象为外部DC/DC模块；

2.如权利要求1所述的高精度场电源程控系统，其特征在于，所述DAC采用串行DAC芯片，位宽在12位以上，输出电压范围0～5V。

3.如权利要求2所述的高精度场电源程控系统，其特征在于，所述控制指令的形式为：“通道号+结束符Ⅰ+DAC码值+结束符Ⅱ”，通道号用于选择本次的设定通道；结束符Ⅰ为“*”或“#”非数字符；DAC码值为所述设定通道对应的DAC芯片的DAC码设定值，当DAC位宽为12位时，DAC码值取值范围为“0～4095”；结束符Ⅱ为“*”或“#”非数字符，但不同于结束符Ⅰ。

4.如权利要求3所述的高精度场电源程控系统，其特征在于，所述液晶屏显示各通道当前的DAC码值以及输入的控制指令字符。

5.如权利要求3所述的高精度场电源程控系统，其特征在于，所述FPGA对控制指令的解析方法为：FPGA从控制指令中提取通道号及DAC码设定值，将所述通道号对应的DAC码当前值和DAC码设定值进行比较，若两者相等，则不进行调整；否则，产生DAC配置时序，向对应通道的DAC发送配置指令，调整DAC码当前值至DAC码设定值，使所述DAC输出电压达到设定值。