CN112650350B - 一种高精度在线可调基准电压生成电路及方法 - Google Patents

一种高精度在线可调基准电压生成电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度在线可调基准电压生成电路及方法，其包括MCU单元、基准电压源、粗调适配电阻、数字电位器、运算放大器，采样滤波模块；基准电压源用于提供高质量的参考电压，两个粗调适配电阻用于调配处电压调节范围，MCU单元和数字电位器用于调节出高精度的基准电压，运算放大器用于提升输出电压的负载能力，采样滤波模块用于采样输出基准电压做反馈校正使用。本发明消除了电阻只有固定阻值和精度较差的弊端，通过数字电位器基本实现了电压无级调节，既提高了电压的调节范围，又提高了输出电压的精度。另外，可以进行自调节和自校正，还可在MCU单元中预存储相关校正系数，进行对非线性误差校正。

Description

一种高精度在线可调基准电压生成电路及方法
技术领域
本发明属于自动化控制领域，涉及控制电路设计及高精度信号处理，具体涉及一种高精度在线可调基准电压生成电路及方法。
背景技术
在自动化控制领域，对控制精度的要求越来越高，相应的对控制电路的精度要求也越来越高。在工业控制中，有很多控制场合中都需要通过对输出模拟量的大小进行调节，从而控制相关外部部件。所以输出模拟量的精度直接影响控制的精度。传统的做法是通过PWM调制，再经过滤波来产生相关的可调模拟量输出，但这种方式产生的输出一方面纹波较大，另一方面受影响因素多，很难达到较高的精度。
另外，器件受制造工艺、环境温度、工作时间的外部条件的影响，其输出特性往往呈现一定程度的非线性。而这种非线性又伴随着器件的个体差异而各不相同，需要针对不同的器件进行单独调节。而这种问题很难解决。
在传统的应用中，一般采用匹配电阻的方式来进行输出的调节，这种做法每改变一次输出就要更改电阻，非常繁琐。另一方面，一般电阻只有1％或1‰的精度，而且只有几个固定的阻止，很难匹配出理想的输出值。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的之一是提供一种高精度在线可调基准电压生成电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高精度在线可调基准电压生成电路，包括用于提供参考电压的基准电压源、用于调节出高精度基准电压的数字电位器、用于提升输出电压的负载能力的运算放大器以及用于采样和反馈输出电压的采样滤波模块，所述的数字电位器上连接有MCU单元，所述的运算放大器的正向输入端与数字电位器连接，所述的采样滤波模块连接运算放大器反向输出端和MCU单元，所述的基准电压源通过粗调适配电阻一连接数字电位器，所述的数字电位器通过粗调适配电阻二接地，粗调适配电阻一和粗调适配电阻二确定调节电压的范围，数字电位器与MCU单元调节出高精度的基准电压。
本发明的目的之二是提供上述电路的基准电压生成方法，按照如下公式产生需要的输出电压值：
Figure BDA0002826312130000021
其中Vref为固定值，由基准电压源产生，R1和R2分别为粗调适配电阻一和粗调适配电阻二的阻值，Radj为数字电位器产生的可调电阻阻值，且Radj≥0，Rmax为Radj的最大阻值。
进一步，一般设置时采用如下公式，通过调整Radj的大小来校正Vout的大小，使其达到精确输出：
Figure BDA0002826312130000022
上电后，根据初始设置，依次调节数字电位器阻值Radj＝1/4Rmax、1/2Rmax、3/4Rmax，将运算放大器输出电压Vout电压值经过采样滤波模块反馈回MCU单元，MCU单元根据反馈，调节数字电位器阻值Radj，达到精确输出。
调整完成后将相关参数存入MCU单元的存储器中，即可实现上电后达到上电自动调节和自动校正的目的。
更进一步，采用如下公式对电压实现高精度范围可调输出：
Figure BDA0002826312130000031
Figure BDA0002826312130000032
其中Vmin为可调节输出需求的下限，Vmax为可调节输出需求的上限，Rmax为Radj的最大阻值。
所述的一种高精度在线可调基准电压生成方法，非线性误差校正应用：此种应用中首先需要将相关的校正数据存入MCU单元的存储器中生成校正表，应用中，当外部输入某一特定值时，MCU单元就会根据输入的值与校正表中的值进行映射，从而得到Radj的值，然后通过SPI通信接口调整数字电位器的值，从而到达非线性误差校正的目的。
所述的一种高精度在线可调基准电压生成方法，生成准确的输出电压值后，将其送到后级的运算放大器中进行一级电压跟随处理，这样可以提高电路的带载能力，避免后级负载对输出精度产生不良的影响，从而进一步提高系统的控制精度。
本发明的有益效果是：本发明的通过数字电位器前后方的两个粗调适配电阻调配输出电压的范围，由于数字电位器的电阻可以实时在线更改，从而实现输出电压的在线调整；另外可通过在MCU单元中预存储相关校正参数，实现对非线性误差的校正，基准电压源的初级参考电压生成后，再通过后级设置的电压跟随器，提高电路的带载能力，从而减小负载对精度的影响；本发明电路可根据不同的应用场合，通过相关参数调节来适应不同的应用。
附图说明
图1是本发明电路工作原理示意图；
图2是本发明数字电位器电路图；
图3是本发明参考电压生成电路图。
各附图标记为：1—MCU单元，2—基准电压源，31—粗调适配电阻一，32—粗调适配电阻二，4—数字电位器，5—运算放大器，6—采样滤波模块。
具体实施方式
为了更加清楚的阐述本发明方案，下面结合附图和实例对发明内容进行进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体是实施例仅用于解释本发明，保护范围并不局限于所述实例。
参照图1所示，本发明公开的一种高精度在线可调基准电压生成电路，包含MCU单元1(micro control unit)、基准电压源2、粗调适配电阻一31、粗调适配电阻二32、数字电位器4、运算放大器5和采样滤波模块6。基准电压源2用于提供高质量的参考电压，两个粗调适配电阻31和32用于调配处电压调节范围，MCU单元1和数字电位器4用于调节出高精度的基准电压，运算放大器5用于提升输出电压的负载能力。其中数字电位器4连接MCU单元1，运算放大器5的正向输入端与数字电位器4连接，基准电压源2通过粗调适配电阻一31连接数字电位器4，运算放大器5的反向输入端连接其输出端，采样滤波模块6连接运算放大器5输出端和MCU单元1，数字电位器4通过一个粗调适配电阻二32接地，本发明由粗调适配电阻一31和粗调适配电阻二32确定需要调节电压的调整范围，再由数字电位器4与MCU单元1调节出高精度的基准电压。
图2所示为本发明中的数字电位器4电路图。其中R1和R2分别为粗调适配电阻一31、粗调适配电阻二32。数字电位器4选用的是AD5291BRUZ-20，其具有1024级的可调等级，可以提供较高的精度调节能力和输出范围调节能力。
图3所示为本发明中采用的电压基准产生电路，其将5V的电压转换成高精度、低纹波的稳定的2.5V点源。
本发明电路可根据不同的应用场合，通过相关参数调节来适应不同的应用。
高精度固定输出应用：
首先设置根据电路的工作点设置粗调电阻，设置原则为
Figure BDA0002826312130000051
其中Vref为固定值，由基准电压源2产生；Vout为需要产生的输出电压值；R1、R2分别为粗调适配电阻一31和粗调适配电阻二32的阻值。Radj为数字电位器4产生的可调电阻阻值，其限制条件为Radj≥0；Rmax为Radj的最大阻值。
上电后，根据初始设置，一次调节Radj＝1/4Rmax、1/2Rmax、3/4Rmax。MCU单元1根据采样滤波模块6的反馈值，调整Radj的大小来校正Vout的大小，使其达到精确输出。调整完成后将相关参数存入MCU单元1的存储器中，即可实现上电后自动校正。
高精度范围可调输出应用：
Figure BDA0002826312130000052
Figure BDA0002826312130000053
其中Vmin为可调节输出需求的下限，Vmax为可调节输出需求的上限；Rmax为Radj的最大阻值。
非线性误差校正应用：此种应用中首先需要将相关的校正数据存入MCU单元1的存储器中，应用中，当外部输入某一特定值时，MCU就会根据输入的值与校正表中的值进行映射，从而得到Radj的值，然后通过SPI通信接口调整数字电位器的值，从而到达非线性误差校正的目的。
生成准确的输出电压值后，将其送到后级的运算放大器单元中，进行一级电压跟随处理。这样可以提高电路的带载能力，避免后级负载对输出精度产生不良的影响，从而进一步提高系统的控制精度。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高精度在线可调基准电压生成方法，其特征在于，基于包括基准电压源(2)、数字电位器(4)、运算放大器(5)以及采样滤波模块(6)的基准电压生成电路，所述的数字电位器(4)上连接有MCU单元(1)，所述的运算放大器(5)的正向输入端与数字电位器(4)连接，所述的采样滤波模块(6)连接运算放大器(5)输出端和MCU单元(1)，所述的基准电压源(2)通过粗调适配电阻一(31)连接数字电位器(4)，所述的数字电位器(4)通过粗调适配电阻二(32)接地，粗调适配电阻一(31)和粗调适配电阻二(32)确定调节电压的范围，数字电位器(4)与MCU单元(1)调节出高精度的基准电压；
按照如下公式产生需要的输出电压值：
Figure FDA0003597336130000011
其中Vref为固定值，由基准电压源(1)产生，R1和R2分别为粗调适配电阻一(31)和粗调适配电阻二(32)的阻值，Radj为数字电位器(4)产生的可调电阻阻值，且Radj≥0，Rmax为Radj的最大阻值；
上电后，根据初始设置，分别调节数字电位器(4)阻值Radj＝1/4Rmax、1/2Rmax、3/4Rmax，将运算放大器(5)输出电压Vout电压值经过采样滤波模块(6)反馈回MCU单元(1)，MCU单元(1)根据反馈，调节数字电位器(4)阻值Radj，达到上电自调节和自校正的目的。
2.根据权利要求1所述的一种高精度在线可调基准电压生成方法，其特征在于，采用如下公式对电压实现高精度范围可调输出：
Figure FDA0003597336130000012
Figure FDA0003597336130000021
其中Vmin为可调节输出需求的下限，Vmax为可调节输出需求的上限，Rmax为Radj的最大阻值。
3.根据权利要求2所述的一种高精度在线可调基准电压生成方法，其特征在于，将相关的校正数据存入MCU单元(1)的存储器中生成校正表，当外部需求某一特定值时，MCU单元(1)根据需求的值与校正表中的值进行映射，从而得到Radj的值，然后调整数字电位器(4)的值，从而到达非线性误差校正的目的。
4.根据权利要求2所述的一种高精度在线可调基准电压生成方法，其特征在于，生成准确的输出电压值后，将其送到后级的运算放大器(5)中进行一级电压跟随处理，避免后级负载对输出精度产生不良的影响。
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