CN111245390B - 一种超低噪声微伏调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低噪声微伏调节装置，包括：交流电压信号输出模块，用于输出超过1/f噪声范围的交流电压信号；无源衰减模块，用于将所述交流电压信号衰减为微伏级别的交流正弦信号；半波整流模块，用于将所述微伏级别的交流正弦信号整流为半波信号；滤波模块，用于将整流后的半波信号进行滤波转换成微伏直流信号输出。本发明的超低噪声微伏调节装置通过基带信号调整和无源衰减大大提高了微伏调节源的输出信噪比，以提高微伏调节源输出小信号电压的稳定性和准确度，实现微伏小信号电压源的精密输出。

Description

一种超低噪声微伏调节装置
技术领域
本发明涉及信号电压控制领域，特别地，涉及一种超低噪声微伏调节装置。
背景技术
现有微伏调节源输出时常直接用运算放大器来输出，即通过DA数模转换器输出可调直流信号后再通过精密运算放大器来进行一定倍数的缩小后再输出，对于DA数模转换器本身输出电压信号的噪声而言，因后续运算放大器是对整体信号的衰减，所以DA数模转换器输出电压信号的噪声对于运算放大器的输出电压而言是可以忽略不计的，如图12所示。然而，由于运算放大器是有源器件，本身具有相应的输出噪声，而且运算放大器的输出噪声大小与微伏源的输出信号大小在一个数量级，从而导致现有微伏调节源的输出信号信噪比较低；其次，对于直流信号而言，1/f噪声(闪烁噪声)是低频段的主要内部噪声源，它是一个缓慢的时变的失调电压，该噪声强度比例于1/f，所以对于衰减过程中的直流信号，闪烁噪声并不会随着等比例衰减，这也是造成现有方案的输出信噪比低的另一主要原因。
发明内容
本发明提供了一种超低噪声微伏调节装置，以解决现有微伏调节源的输出信号信噪比较低的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种超低噪声微伏调节装置，包括：
交流电压信号输出模块，用于输出超过1/f噪声范围的交流电压信号；
无源衰减模块，用于将所述交流电压信号衰减为微伏级别的交流正弦信号；
半波整流模块，用于将所述微伏级别的交流正弦信号整流为半波信号；
滤波模块，用于将整流后的半波信号进行滤波转换成微伏直流信号输出。
作为一实施例，所述交流电压信号输出模块采用乘法DA数模转换器输出相应频率的正弦交流电压信号。
作为一实施例，所述乘法DA数模转换器采用AD5428作为乘法DA转换芯片。
作为一实施例，所述交流电压信号输出模块包括：
DA模数转换器，用于输出相应直流电压信号；
第一模拟开关组，与所述DA模数转换器的输出端电路连接，用于将所述DA模数转换器输出的直流电压信号转换成相应频率的斩波信号。
作为一实施例，所述第一模拟开关组包括：
第一模拟开关G1，所述第一模拟开关G1的输入端连接所述DA模数转换器的直流输出端，输出端连接所述无源衰减模块，控制端连接第一控制信号DCV_SW+；
第二模拟开关G2，所述第二模拟开关G2的输入端连接所述DA模数转换器的直流输出端，输出端连接第二接地端VGND2，控制端连接第二控制信号DCV_SW-；
第三模拟开关G3，所述第三模拟开关G3的输入端连接第一接地端VGND1，输出端连接所述无源衰减模块，控制端连接第二控制信号DCV_SW-；
第四模拟开关G4，所述第四模拟开关G4的输入端连接第一接地端VGND1，输出端连接第二接地端VGND2，控制端连接第一控制信号DCV_SW+；
所述第一控制信号DCV_SW+和第二控制信号DCV_SW-互为反逻辑信号；所述第一接地端VGND1和第二接地端VGND2相互隔离。
作为一实施例，所述无源衰减模块采用变压器，所述变压器衰减后的信号与衰减前的信号比率由所述变压器初级与次级的线圈匝数确定。
作为一实施例，所述半波整流模块包括第二模拟开关组，所述第二模拟开关组包括：
第五模拟开关G5，所述第五模拟开关G5的输入端连接所述无源衰减模块的交流输出端，输出端连接第四接地端VGND4，控制端连接第三控制信号DCV_SW+；
第六模拟开关G6，所述第六模拟开关G6的输入端连接第三接地端VGND3，输出端连接第四接地端VGND4，控制端连接第四控制信号DCV_SW-；
第七模拟开关G7，所述第七模拟开关G7的输入端连接所述无源衰减模块的交流输出端，输出端连接所述滤波模块的输入端，控制端连接第四控制信号DCV_SW-；
第八模拟开关G8，所述第八模拟开关G8的输入端连接第三接地端VGND3，输出端连接所述滤波模块的输入端，控制端连接第三控制信号DCV_SW+；
所述第三控制信号DCV_SW+和第四控制信号DCV_SW-互为反逻辑信号；所述第三接地端VGND3和第四接地端VGND4相互隔离。
作为一实施例，所述滤波模块采用电感滤波电路、LC滤波电路或RC滤波电路。
作为一实施例，还包括：
电磁屏蔽装置，用于对所述无源衰减模块、半波整流模块和滤波模块进行电磁屏蔽，消除外界电磁噪声干扰。
作为一实施例，所述电磁屏蔽装置采用导磁金属材质屏蔽盒进行屏蔽消除外界电磁噪声干扰。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过使用无源衰减模块对交流信号进行衰减来消除相应有源器件(运算放大器)造成的输出噪声，再通过半波整流模块整流滤波增大微伏调节源的输出信噪比，同时也利用了低频段的主要噪声——闪烁噪声(1/f噪声)随着信号频率的升高、其噪声信号强度越来越低的特点，通过交流电压信号输出模块使得衰减前的基带信号超过了输入级的1/f噪声范围，从而能够很好的抑制闪烁噪声的影响，从而大大提高了微伏调节源的输出信噪比，以提高微伏调节源输出小信号电压的稳定性和准确度，实现微伏小信号电压源的精密输出。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的超低噪声微伏调节装置示意图。
图2是本发明另一优选实施例的超低噪声微伏调节装置示意图。
图3是本发明优选实施例的乘法DA数模转换器输出电压波形示意图。
图4是本发明优选实施例的乘法DA数模转换器电路示意图。
图5是本发明优选实施例的第一模拟开关组将直流信号转化为斩波信号的电路示意图。
图6是本发明优选实施例的变压器衰减后信号波形示意图。
图7是本发明优选实施例的第二模拟开关组将交流整流成半波信号的电路示意图。
图8是本发明优选实施例的衰减信号整流后的半波信号波形示意图。
图9是本发明另一优选实施例的电感滤波电路示意图。
图10是本发明另一优选实施例的LC滤波电路示意图。
图11是本发明优选实施例整流信号滤波后的波形示意图。
图12为现有微伏调节源的示意图。
图中，1、交流电压信号输出模块；2、无源衰减模块；3、半波整流模块；4、滤波模块；5、电磁屏蔽装置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种超低噪声微伏调节装置，包括：
交流电压信号输出模块1，用于输出超过1/f噪声范围的交流电压信号；
无源衰减模块2，用于将所述交流电压信号衰减为微伏级别的交流正弦信号；
半波整流模块3，用于将所述微伏级别的交流正弦信号整流为半波信号；
滤波模块4，用于将整流后的半波信号进行滤波转换成微伏直流信号输出。
本实施例通过使用无源衰减模块2对交流信号进行衰减来消除相应有源器件(运算放大器)造成的输出噪声，再通过半波整流模块3和滤波模块4整流滤波增大微伏调节源的输出信噪比，同时也利用了低频段的主要噪声——闪烁噪声(1/f噪声)随着信号频率的升高、其噪声信号强度越来越低的特点，通过交流电压信号输出模块使得衰减前的基带信号超过了输入级的1/f噪声范围，从而能够很好的抑制闪烁噪声的影响，从而大大提高了微伏调节源的输出信噪比，以提高微伏调节源输出小信号电压的稳定性和准确度，实现微伏小信号电压源的精密输出。
如图2所示，在本发明一优选实施例中，所述交流电压信号输出模块1采用乘法DA数模转换器输出超过1/f噪声范围的正弦交流电压信号，如图3所示。所述无源衰减模块2采用变压器将所述交流电压信号衰减为微伏级别的交流正弦信号，所述变压器衰减后的信号与衰减前的信号比率由所述变压器初级与次级的线圈匝数确定。所述半波整流模块3采用所述第一模拟开关组将所述微伏级别的交流正弦信号整流为半波信号；所述滤波模块4采用RC滤波电路将整流后的半波信号进行滤波转换成微伏直流信号输出。
乘法DA数模转换器输出可调的交流电压,信号公式如式(1)所示，信号波形如图3所示.
Figure BDA0002374031870000061
式中:
VIN——乘法DA数模转换器的可调输出交流正弦电压，V；
A——可调输出交流正弦电压的峰值；
ω——可调输出交流正弦电压的角频率；
Figure BDA0002374031870000062
——可调输出交流正弦电压的相位。
如图4电路图所示，乘法DA数模转换器采用芯片AD5428，这是一个并口连接的乘法DA转换芯片，该芯片2脚和3脚内部相当于连入了一个二进制电容网络加一个反馈电阻R78，4脚接入对应的直流信号参考，从而2脚电流输出后连接运算放大器LT6202做负反馈(类似与一个积分器电路)。当并口D0～D11按交流正弦信号的二进制变化来输入到乘法DA数模转换器内部时，则可通过积分反馈在LT6202的输出端得到一个偏置交流信号，偏置大小为1/2VREF，再通过电阻R68、R69则可将偏置信号拉高，从而形成一个正确的交流信号，交流信号输出具体公式如式(2)所示：
Figure BDA0002374031870000071
其中，
Vout——输出的交流电压值；
VREF——乘法DA 4脚处的参考直流电压值；
D——并口输入的二进制值；
n——乘法DA的位数。
乘法DA数模转换器输出的交流信号通过变压器线圈后衰减为微伏级别的交流正弦信号，信号波形如图6所示，衰减后的信号与衰减前的信号比率由变压器初级与次级的线圈匝数决定，计算公式如(3)所示：
N1/N2＝V1/V2        (3)
式中:
N1——初级线圈匝数；
N2——次级线圈匝数；
V1——初级输入电压；
V2——次级输出电压。
具体而言，所述半波整流模块3包括第二模拟开关组，所述第二模拟开关组包括第五模拟开关G5、第六模拟开关G6、第七模拟开关G7、第八模拟开关G8，所述第二模拟开关组包括第五模拟开关G5、第六模拟开关G6、第七模拟开关G7、第八模拟开关G8的型号选用ADG1419。
其中，所述第五模拟开关G5的输入端连接所述无源衰减模块2的交流输出端，输出端连接第四接地端VGND4，控制端连接第三控制信号DCV_SW+；所述第六模拟开关G6的输入端连接第三接地端VGND3，输出端连接第四接地端VGND4，控制端连接第四控制信号DCV_SW-；所述第七模拟开关G7的输入端连接所述无源衰减模块2的交流输出端，输出端连接所述滤波模块4的输入端，控制端连接第四控制信号DCV_SW-；所述第八模拟开关G8的输入端连接第三接地端VGND3，输出端连接所述滤波模块4的输入端，控制端连接第三控制信号DCV_SW+；所述第三控制信号DCV_SW+和第四控制信号DCV_SW-互为反逻辑信号；所述第三接地端VGND3和第四接地端VGND4相互隔离。
如图7电路图所示，第六模拟开关G6、第七模拟开关G7通过第四控制信号DCV_SW-控制通断，第五模拟开关G5、第八模拟开关G8通过第三控制信号DCV_SW+控制通断，同时所述第三控制信号DCV_SW+和第四控制信号DCV_SW-两个信号是反逻辑的，即当第四控制信号DCV_SW-置0时，第三控制信号DCV_SW+置1，反之亦然。并且模拟开关的前后两端信号需要用不同电源供电，即所述第三接地端VGND3和第四接地端VGND4的接地信号要隔离开来，这样当输入的交流信号在正半轴时，第四控制信号DCV_SW-置0，此时第六模拟开关G6、第七模拟开关G7闭合导通，第五模拟开关G5、第八模拟开关G8断开，输出电压VOUT和输入电压VIN的关系为：VOUT＝VIN；而当输入的交流信号在负半轴时，第四控制信号DCV_SW-置1，此时第六模拟开关G6、第七模拟开关G7断开，第五模拟开关G5、第八模拟开关G8闭合导通，输出电压VOUT和输入电压VIN的关系为：VOUT＝-VIN；，从而将经变压器线圈衰减为微伏级别的交流正弦信号整流转化为如图8所示的半波信号。
接着，将整流后的半波信号通过RC滤波器进行滤波，从而将半波信号转换成如图11所示直流信号，计算公式如式5所示，信号波形如图11所示。
图如5所示，在本发明的另一可行的实施例中，所述交流电压信号输出模块1包括：
DA模数转换器，用于输出相应直流电压信号；
第一模拟开关组，与所述DA模数转换器的输出端电路连接，用于将所述DA模数转换器输出的直流电压信号转换成相应频率的斩波信号。
其中，所述第一模拟开关组包括第一模拟开关G1、第二模拟开关G2、第三模拟开关G3和第四模拟开关G4，所述第一模拟开关G1、第二模拟开关G2、第三模拟开关G3和第四模拟开关G4型号选用ADG1419。
其中，所述第一模拟开关G1的输入端连接所述DA模数转换器的直流输出端，输出端连接所述无源衰减模块2，控制端连接第一控制信号DCV_SW+；所述第二模拟开关G2的输入端连接所述DA模数转换器的直流输出端，输出端连接第二接地端VGND2，控制端连接第二控制信号DCV_SW-；所述第三模拟开关G3的输入端连接第一接地端VGND1，输出端连接所述无源衰减模块2，控制端连接第二控制信号DCV_SW-；所述第四模拟开关G4的输入端连接第一接地端VGND1，输出端连接第二接地端VGND2，控制端连接第一控制信号DCV_SW+；所述第一控制信号DCV_SW+和第二控制信号DCV_SW-互为反逻辑信号；所述第一接地端VGND1和第二接地端VGND2相互隔离。
如图5电路图所示，第二模拟开关G2、第三模拟开关G3通过第二控制信号DCV_SW-控制通断，第一模拟开关G1、第四模拟开关G4通过第一控制信号DCV_SW+控制通断，同时所述第一控制信号DCV_SW+和第二控制信号DCV_SW-两个信号是反逻辑的，即当第二控制信号DCV_SW-置0时，第一控制信号DCV_SW+置1，反之亦然。并且模拟开关的前后两端信号需要用不同电源供电，即所述第一接地端VGND1和第二接地端VGND2的两个地信号要隔离开来，只有这样在当第二控制信号DCV_SW-置0时，第二模拟开关G2、第三模拟开关G3闭合导通，第一模拟开关G1、第四模拟开关G4断开，输出电压VOUT和输入电压VIN的关系为：VOUT＝-VIN；反之当第二控制信号DCV_SW-置1时，第二模拟开关G2、第三模拟开关G3断开，第一模拟开关G1、第四模拟开关G4闭合导通，输出电压VOUT和输入电压VIN的关系为：VOUT＝VIN，从而通过控制第二控制信号DCV_SW-的频率F，即可将直流信号转换成频率为F的斩波信号。
如图9所示，作为一优选实施例，所述滤波模块4采用电感滤波电路，电感滤波电路带负载能力比较好，多用于负载电流大的场合。
如图10所示，作为一优选实施例，所述滤波模块4采用LC滤波电路，LC滤波电路综合了电容滤波电路纹波小的优点以及电感滤波电路带负载能力强的优点。
作为一实施例，所述超低噪声微伏调节装置还包括电磁屏蔽装置5，所述电磁屏蔽装置5采用导磁金属材质屏蔽盒，用于对所述无源衰减模块2、半波整流模块3和滤波模块4进行电磁屏蔽，消除外界电磁噪声干扰，进一步提高微伏调节源输出小信号电压的稳定性和准确度，实现微伏小信号电压源的精密输出。
上述实施例中，无论是乘法DA数模转换器输出的交流信号还是由DA模数转换器和第一模拟开关组输出的斩波信号，都将基带信号推移到高频范围，超过了输入级的1/f噪声范围，从而能够很好的削弱闪烁噪声的影响；另外由于变压器线圈本身属于无源器件，在用金属屏蔽盒进行屏蔽的情况下在衰减调制的时候几乎没有外来的噪声引入，对于对低频段影响最大的闪烁噪声也通过将基带信号推移到高频范围的方法来对其进行很好的抑制，可实现微伏小信号电压源的精密输出。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种超低噪声微伏调节装置，其特征在于，包括：
交流电压信号输出模块(1)，用于输出超过1/f噪声范围的交流电压信号；
无源衰减模块(2)，用于将所述交流电压信号衰减为微伏级别的交流正弦信号；
半波整流模块(3)，用于将所述微伏级别的交流正弦信号整流为半波信号；
滤波模块(4)，用于将整流后的半波信号进行滤波转换成微伏直流信号输出。
2.根据权利要求1所述的超低噪声微伏调节装置，其特征在于，
所述交流电压信号输出模块(1)采用乘法DA数模转换器输出相应频率的正弦交流电压信号。
3.根据权利要求2所述的超低噪声微伏调节装置，其特征在于，所述乘法DA数模转换器采用AD5428作为乘法DA转换芯片。
4.根据权利要求1所述的超低噪声微伏调节装置，其特征在于，所述交流电压信号输出模块(1)包括：
DA模数转换器，用于输出相应直流电压信号；
第一模拟开关组，与所述DA模数转换器的输出端电路连接，用于将所述DA模数转换器输出的直流电压信号转换成相应频率的斩波信号。
5.根据权利要求4所述的超低噪声微伏调节装置，其特征在于，所述第一模拟开关组包括：
第一模拟开关G1，所述第一模拟开关G1的输入端连接所述DA模数转换器的直流输出端，输出端连接所述无源衰减模块(2)，控制端连接第一控制信号DCV_SW+；
第二模拟开关G2，所述第二模拟开关G2的输入端连接所述DA模数转换器的直流输出端，输出端连接第二接地端VGND2，控制端连接第二控制信号DCV_SW-；
第三模拟开关G3，所述第三模拟开关G3的输入端连接第一接地端VGND1，输出端连接所述无源衰减模块(2)，控制端连接第二控制信号DCV_SW-；
第四模拟开关G4，所述第四模拟开关G4的输入端连接第一接地端VGND1，输出端连接第二接地端VGND2，控制端连接第一控制信号DCV_SW+；
所述第一控制信号DCV_SW+和第二控制信号DCV_SW-互为反逻辑信号；所述第一接地端VGND1和第二接地端VGND2相互隔离。
6.根据权利要求1所述的超低噪声微伏调节装置，其特征在于，
所述无源衰减模块(2)采用变压器，所述变压器衰减后的信号与衰减前的信号比率由所述变压器初级与次级的线圈匝数确定。
7.根据权利要求1所述的超低噪声微伏调节装置，其特征在于，所述半波整流模块(3)包括第二模拟开关组，所述第二模拟开关组包括：
第五模拟开关G5，所述第五模拟开关G5的输入端连接所述无源衰减模块(2)的交流输出端，输出端连接第四接地端VGND4，控制端连接第三控制信号DCV_SW+；
第六模拟开关G6，所述第六模拟开关G6的输入端连接第三接地端VGND3，输出端连接第四接地端VGND4，控制端连接第四控制信号DCV_SW-；
第七模拟开关G7，所述第七模拟开关G7的输入端连接所述无源衰减模块(2)的交流输出端，输出端连接所述滤波模块(4)的输入端，控制端连接第四控制信号DCV_SW-；
第八模拟开关G8，所述第八模拟开关G8的输入端连接第三接地端VGND3，输出端连接所述滤波模块(4)的输入端，控制端连接第三控制信号DCV_SW+；
所述第三控制信号DCV_SW+和第四控制信号DCV_SW-互为反逻辑信号；所述第三接地端VGND3和第四接地端VGND4相互隔离。
8.根据权利要求1所述的超低噪声微伏调节装置，其特征在于，
所述滤波模块(4)采用电感滤波电路、LC滤波电路或RC滤波电路。
9.根据权利要求1所述的超低噪声微伏调节装置，其特征在于，还包括：
电磁屏蔽装置(5)，用于对所述无源衰减模块(2)、半波整流模块(3)和滤波模块(4)进行电磁屏蔽，消除外界电磁噪声干扰。
10.根据权利要求9所述的超低噪声微伏调节装置，其特征在于，所述电磁屏蔽装置(5)采用导磁金属材质屏蔽盒进行屏蔽消除外界电磁噪声干扰。
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