CN115328257A - 多通道直流系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多通道直流系统，多通道直流系统包括电源模组，电源模组用于接入市电并用于将市电转换为直流电压，电源模组包括隔离模块，隔离模块用于产生多路相互隔离的正负电源，以形成多个通道，其中，每个通道对应一个参考源模块，每个参考源模块包括基准源和保温结构，基准源用于配合对应的通道，以使得多个通道分别参考对应的基准，多个通道参考的基准不同，保温结构用于维持基准源温度稳定，以提高多通道直流系统的精度和稳定性。隔离模块可以使得各通道间隔离并且不参考同一地平面，使得各通道电压不会对其余通道产生不利影响，进而可以提高多通道直流系统的精度和稳定性以及低噪。
Description
技术领域
本申请涉及直流电源技术领域，更具体而言，涉及一种多通道直流系统。
背景技术
目前，由于电子技术的发展和精密电测量技术的需要，直流电压源发展很快，用它可直接作为仪表的检定标准，操作简便、准确可靠，工作效率高。用微处理器控制的直流电压源，还可以实现检测工作的数字化和自动化。然而，直流电压源通常都是单一通道数，且精度、噪声和稳定性往往较差，无法应用到需求较高的测控平台上。
发明内容
本申请实施方式提供了一种多通道直流系统。
本申请实施方式的多通道直流系统包括电源模组，所述电源模组用于接入市电，并用于将市电转换为直流电压，所述电源模组包括隔离模块，所述隔离模块用于产生多路相互隔离的正负电源，以形成多个通道，其中，每个所述通道对应一个参考源模块，每个所述参考源模块包括基准源和保温结构，所述基准源用于配合对应的通道，以使得多个所述通道分别参考对应的基准，多个所述通道参考的基准不同，所述保温结构用于维持所述基准源温度稳定，以提高所述多通道直流系统的精度和稳定性。
在本申请实施方式的多通道直流系统中，通过隔离模块分隔为不同的通道，同时选取了基准源具有超低温漂并用保温结构维持基准源温度稳定。隔离模块可以使得各通道间隔离并且不参考同一地平面，使得各通道电压不会对其余通道产生不利影响，进而可以提高多通道直流系统的精度和稳定性以及低噪。另外，保温结构维持基准源温度稳定，避免其他元件的温度对基准源造成影响，进一步提高了多通道直流系统的精度和稳定性。本申请的多通道直流系统可在高分辨率下产生高精度电压，无论长期使用还是短期使用，它都具有极佳的稳定性，以及覆盖所有量程的出色线性度。此外，它产生的噪声极低，可产生众多应用所需的的DC电压信号。
在某些实施方式中，所述保温结构包括屏蔽罩，所述屏蔽罩设置在所述基准源上。
在某些实施方式中，所述保温结构还包括凹槽结构，所述凹槽结构绕设在所述基准源外围。
在某些实施方式中，所述凹槽结构为多段，多段所述凹槽结构间隔设置并形成通路，所述基准源通过所述通路电性连接其他元件。
在某些实施方式中，多段所述凹槽结构呈圆形并形成容置空间，所述基准源设置在所述容置空间中。
在某些实施方式中，所述电源模组包括控制模块，所述控制模块用于连接通道中的不同功能模块并提供直流源的校准功能。
在某些实施方式中，所述电源模组还包括隔离器模块，所述隔离器模块设置在所述控制模块和不同通道之间，所述控制模块通过所述隔离器模块于不同的通道进行通讯和控制。
在某些实施方式中，所述隔离器模块为四通道数字隔离器和I2C隔离器。
在某些实施方式中，所述电源模组还包括可编程增益模块，所述可编程增益模块连接所述控制模块和所述参考源模块，所述可编程增益模块用于产生不同量程的信号。
在某些实施方式中，所述电源模组还包括输出模块，所述输出模块连接所述控制模块和所述可编程增益模块，所述输出模块用于输出电压。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请实施方式的多通道直流系统的模块结构示意图；
图2是本申请实施方式的多通道直流系统的另一模块结构示意图；
图3是本申请实施方式的参考源模块的结构示意图；
图4是本申请实施方式的参考源模块的另一结构示意图；
图5是本申请实施方式的可编程增益模块的电路结构示意图；
图6是本申请实施方式的输出模块的电路结构示意图。
主要元件符号说明：
多通道直流系统100；
电源模组10、控制模块11、隔离器模块12、隔离模块13、参考源模块14、基准源141、保温结构142、屏蔽罩1421、凹槽结构1422、通路1423、容置空间1424、可编程增益模块15、输出模块16、监控保护模块17。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设定进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设定之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
请参阅图1至图4，本申请实施方式的多通道直流系统100，多通道直流系统100 包括电源模组10，电源模组10用于接入市电，并用于将市电转换为直流电压，电源模组10包括隔离模块13，隔离模块13用于产生多路相互隔离的正负电源，以形成多个通道，其中，每个通道对应一个参考源模块14，每个参考源模块14包括基准源141和保温结构142，基准源141用于配合对应的通道，以使得多个通道分别参考对应的基准，多个通道参考的基准不同，保温结构142用于维持基准源141温度稳定，以提高多通道直流系统100的精度和稳定性。
在本申请实施方式的多通道直流系统100中，通过隔离模块13分隔为不同的通道，同时选取了基准源141具有超低温漂并用保温结构142维持基准源141温度稳定。隔离模块13可以使得各通道间隔离并且不参考同一地平面，使得各通道电压不会对其余通道产生不利影响，进而可以提高多通道直流系统100的精度和稳定性以及低噪。另外，保温结构142维持基准源141温度稳定，避免其他元件的温度对基准源141造成影响，进一步提高了多通道直流系统100的精度和稳定性。本申请的多通道直流系统100可在高分辨率下产生高精度电压，无论长期使用还是短期使用，它都具有极佳的稳定性，以及覆盖所有量程的出色线性度。此外，它产生的噪声极低，可产生众多应用所需的的 DC电压信号。
具体地，本申请实施方式的多通道直流系统100可以设计为市电220V/50Hz输入，经过AC/DC开关电源后转为直流电压，然后通过DCDC模块及低压差线性稳压器为控制模块11产生数字电源，在这个过程中可以通过隔离模块13产生多路相互隔离的正负电源，以形成多个通道，实现多通道直流供电。每个通道对应一个参考源模块14，基准源141用于配合对应的通道，以使得多个通道分别参考对应的基准，多个通道参考的基准不同。也就是说，本申请实施方式的电源模组10的设计使各通道间隔离，不参考同一地平面，使得各通道电压不会对其余通道产生不利影响，以使得整个多通道直流系统 100的不同通道之间的精度较高，稳定性好。
在本申请实施方式中，不限定隔离模块13的类型和产生的通道数量，以满足多种需求。例如，隔离模块13可以为隔离型DCDC模块产生八路相互隔离的正负电源，后经过LC滤波减小纹波，分别使用低压差线性稳压器产生其余模块需要的电源电压。
进一步地，参考源模块14是直流源输出高稳定性的关键，在本申请实施方式中参考源模块14设计选取的基准源141具有超低温漂的特点。保温结构142维持基准源141 温度稳定，避免其他元件的热量对基准源141造成影响，进一步提高了多通道直流系统 100的精度和稳定性。最大程度的控制了环境对基准源141的不利影响并帮助基准源141 尽快达到温度稳定的状态。基准源141输出的电压经过RC滤波滤除基准源141的高频噪声，后分别经过低噪声低温漂的精密运放进行正向和反向跟随为数模转换器提供正负基准电压，模数转换器选取低噪声电压输出型DAC，从而提供了高精度高分辨率的输出电压，通过与主控SPI菊花链通讯控制模数转换器产生指定电压，可以使用较少的IO 口同时控制多个通道的DAC，模数转换器输出经过跟随和放大电路产生±10V的电压后进入可编程增益模块15。
请参阅图3，在某些实施方式中，保温结构142包括屏蔽罩1421，屏蔽罩1421设置在基准源141上。
如此，屏蔽罩1421一方面可以避免外界环境中的灰尘杂质影响基准源141的正常工作，另一方面可以阻隔热量的传递，避免外界元件的热量扩散至基准源141，也可以避免基准源141的热量散失，保证基准源141可以保持在一个相对稳定的温度条件下运行。
请参阅图4，在某些实施方式中，保温结构142还包括凹槽结构1422，凹槽结构1422绕设在基准源141外围。
如此，凹槽结构1422可以避免热量沿着电路板传递，使得其他原件的热量传递给基准源141并影响基准源141的正常工作，也可以避免基准源141的热量流失，保证基准源141的温度恒定。
进一步地，请参阅图4，在某些实施方式中，凹槽结构1422为多段，多段凹槽结构1422间隔设置并形成通路1423，基准源141通过通路1423电性连接其他元件。
如此，多段凹槽结构1422将基准源141围在中央，以隔绝基准源141和其他元件的热量传递，同时可以通过通路1423连接其他元件。
再进一步地，请参阅图4，在某些实施方式中，多段凹槽结构1422呈圆形并形成容置空间1424，基准源141设置在容置空间1424中。
如此，圆形的容置空间1424可以占用较少的空间，并使得基准源141可以通过不同的通路1423连接外部的元件。
具体地，在本申请实施方式中，不限定屏蔽罩1421的材料和形状，以满足多种需求。当然，凹槽结构1422和屏蔽罩1421可以一起使用，以进一步隔绝基准源141与其他元件的热量传递。
请参阅图1，在某些实施方式中，电源模组10包括控制模块11，控制模块11用于连接通道中的不同功能模块并提供直流源的校准功能。
如此，控制模块11可以用于控制不同的功能模块实现电源模组10的正常工作，同时控制模块11中提供直流源的校准功能，以保证电源模组10的稳定性。
示例性地，控制模块11在校准的过程中，通过零点校准及增益校准改变DAC的输出电压公式以达到超高的输出电压精度。控制模块11可以提供USB、GPIB和以太网三种通讯方式，支持光口和电口两种通讯模式，用于与上位机通讯，接受指令下发。其中光通讯利用光口模块、光纤和收发器连接上位机，可减小电噪声，提高抗电磁干扰能力。在特定应用下利用光纤可隔离电噪声、增强抗电磁干扰能力且信息容量大、损耗低，可长距离传送。
请参阅图2，在某些实施方式中，电源模组10还包括隔离器模块12，隔离器模块 12设置在控制模块11和不同通道之间，控制模块11通过隔离器模块12于不同的通道进行通讯和控制。
如此，控制模块11通过隔离器模块12于不同的通道进行通讯和控制，进而避免各个通道之间互相影响。
请参阅图2，在某些实施方式中，隔离器模块12为四通道数字隔离器和I2C隔离器。
如此，控制模块11与其余模块隔离，设计选取四通道数字隔离器和I2C隔离器使得控制模块11可以与功能模块正常通讯及控制。
请参阅图1，在某些实施方式中，电源模组10还包括可编程增益模块15，可编程增益模块15连接控制模块11和参考源模块14，可编程增益模块15用于产生不同量程的信号。
如此，可编程增益模块15可以设计为产生不同量程的信号，在不同量程内产生最优的性能，进而扩展多通道直流系统100的量程。
具体地，本申请实施方式的多通道直流系统100提供10mV、100mV、1V和10V 四个电压量程，其中1V和10V的电压源量程能够以低输出电阻产生高达200mA的正负输出电流，具备电流监测的功能，并可以在量程内设置一个附加限制防止由于过电流而损坏所连接的设备。这些量程非常适合于诸如需要用电流进行设备评估等场合。选择 10mV或100mV量程时，可以使用由一对电阻组成的分压器。这可以生成分辨率低至 50nV的低压，或者将其用作3uVp-p(10mV量程，DC～10Hz)低噪声电压信号源。这些量程非常适合向诸如传感器等仪器提供仿真信号。示例性地，请结合图5，相邻的两组电阻分别是10∶1和100∶1，以实现不同量程的选择。
请参阅图1，在某些实施方式中，电源模组10还包括输出模块16，输出模块16连接控制模块11和可编程增益模块15，输出模块16用于输出电压。
如此，输出模块16可以输出多路电压，以扩展多通道直流系统100的电路数量。
示例性地，输出模块16可以将电路分为两路，一路为10V/1V量程的输出电路，一路为100mV/10mV量程的输出电路。请结合图6，其中10V/1V量程输出电路考虑实际使用情景一般需要较大电流，同时兼顾低温漂低噪声的性能，设计了一种复合型运放输出。其中运算放大器A具有应用所需的出色直流精度以及噪声和失真性能，运算放大器 B满足输出驱动要求。在这种配置中，具有所需输出规格的放大器B放置在具有所需输入规格的放大器A的反馈环路中，使输出实现了两种放大器优点之和。整体的增益为1，设置合适的电容值限制带宽并使得复合型运放稳定。设计中运算放大器B采用功率运算放大器，复合运放输出后直接连接到输出接口，且反馈回路在布局上靠近输出接口，使系统10V/1V量程下输出阻抗最小，减小因输出电流增大导致的电压降。另一路输出电路产生100mV/10mV量程的电压，这种小量程一般用于向仪器提供仿真信号，设计电路在分压电阻网络衰减后使用单个低温漂低噪声的精密运算放大器跟随后输出，生成分辨率低至50nV的低压低噪声信号。
综上所述，本申请实施方式的多通道直流系统100可以集成八个独立且相互隔离的高精度直流电压源，此电源模组10的设计使各通道间隔离，不参考同一地平面，使得各通道电压不会对其余通道产生不利影响。由于主控部分与其余模块隔离，设计选取四通道数字隔离器和I2C隔离器使得控制模块11与其他功能模块正常通讯及控制。其中，电源模组10设计为市电220V/50Hz输入，经过AC/DC开关电源后转为直流电压，后使用DCDC模块及低压差线性稳压器为控制模块11产生数字电源，同时使用隔离型DCDC 模块产生八路相互隔离的正负电源，后经过LC滤波减小纹波，分别使用低压差线性稳压器产生其余模块需要的电源电压。
参考源模块14作为直流源输出高稳定性的核心模块，设计选取的基准源141具有超低温漂，配合电路板在基准源141周围进行挖槽设计，并增加屏蔽罩1421最大程度的控制了环境对基准源141的不利影响并帮助基准源141尽快达到温度稳定的状态。基准源141输出的电压经过RC滤波滤除基准源141的高频噪声，后分别经过低噪声低温漂的精密运放进行正向和反向跟随为数模转换器提供正负基准电压，模数转换器选取低噪声电压输出型DAC，从而提供了高精度高分辨率的输出电压，通过与主控SPI菊花链通讯控制模数转换器产生指定电压，可以使用较少的IO口同时控制八个通道的DAC，模数转换器输出经过跟随和放大电路产生±10V的电压后进入可编程增益模块15。
另外，多通道直流系统100还可以包括监控保护模块17，监控保护模块17为10V/1V量程下监控输出的实时电流并可以在量程内设置一个附加限制防止由于过电流而损坏所连接的设备。其中限流保护是通过输出模块16中功率运算放大器的限流功能，在其引脚处设置电压，将输出电压限制到限流电压与采样电阻之比，限流电压通过一固定电阻与一数字变阻器分压获得，主控通过SPI菊花链通讯控制多路变阻器阻值在一定范围内变化，与固定阻值电阻对电源电压分压产生可编程的电压，从而实现一定范围内可编程限流。电流监控通过高精度电源监视器实现，采集上述采样电阻两端电压差转换为数字信号通过I2C接口传递给主控，八路温度监控采用一路I2C，通过硬件引脚上下拉配置芯片的设备地址。此外，由于输出模块16中功率运算放大器输出电压及电流范围较大，设计了温度反馈及风扇控速功能，避免因芯片功耗产生较大温升影响芯片寿命及系统性能，温度采样使用热敏电阻，温度在-40℃至+125℃范围，使用四线电阻电路经过模数转换器后将结果传递给主控，主控根据计算所得温度通过脉宽调制技术(PWM) 控制风扇转速。
在本申请实施方式中，由于不采用机械式接点转换信号，因此在极性反转时不会产生异常电压(电流)。这样就可以产生从最大负值到最大正值的连续可变输出。要反转极性以生成程序输出或评估过零比较器时，可使用此功能。此外在同一量程内更改设置时不会产生毛刺。经测试本申请的多通道直流系统100指标可达到高精度、高稳定性、高分辨率和低噪声，精度可以设置为±0.001％+100uV(10V量程，14天)，稳定性设置为±0.0004％+20uV(10V量程，1天)，分辨率可以达到50nV(VDC，10mV量程)，低噪声为40uVp-p(10V量程，DC～10kHz)。
在本申请的实施方式的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的实施方式的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种多通道直流系统，其特征在于，包括电源模组，所述电源模组用于接入市电，并用于将市电转换为直流电压，所述电源模组包括隔离模块，所述隔离模块用于产生多路相互隔离的正负电源，以形成多个通道，其中，每个所述通道对应一个参考源模块，每个所述参考源模块包括基准源和保温结构，所述基准源用于配合对应的通道，以使得多个所述通道分别参考对应的基准，多个所述通道参考的基准不同，所述保温结构用于维持所述基准源温度稳定，以提高所述多通道直流系统的精度和稳定性。
2.根据权利要求1所述的多通道直流系统，其特征在于，所述保温结构包括屏蔽罩，所述屏蔽罩设置在所述基准源上。
3.根据权利要求1所述的多通道直流系统，其特征在于，所述保温结构还包括凹槽结构，所述凹槽结构绕设在所述基准源外围。
4.根据权利要求3所述的多通道直流系统，其特征在于，所述凹槽结构为多段，多段所述凹槽结构间隔设置并形成通路，所述基准源通过所述通路电性连接其他元件。
5.根据权利要求4所述的多通道直流系统，其特征在于，多段所述凹槽结构呈圆形并形成容置空间，所述基准源设置在所述容置空间中。
6.根据权利要求1所述的多通道直流系统，其特征在于，所述电源模组包括控制模块，所述控制模块用于连接通道中的不同功能模块并提供直流源的校准功能。
7.根据权利要求6所述的多通道直流系统，其特征在于，所述电源模组还包括隔离器模块，所述隔离器模块设置在所述控制模块和不同通道之间，所述控制模块通过所述隔离器模块于不同的通道进行通讯和控制。
8.根据权利要求7所述的多通道直流系统，其特征在于，所述隔离器模块为四通道数字隔离器和I2C隔离器。
9.根据权利要求6所述的多通道直流系统，其特征在于，所述电源模组还包括可编程增益模块，所述可编程增益模块连接所述控制模块和所述参考源模块，所述可编程增益模块用于产生不同量程的信号。
10.根据权利要求9所述的多通道直流系统，其特征在于，所述电源模组还包括输出模块，所述输出模块连接所述控制模块和所述可编程增益模块，所述输出模块用于输出电压。
Priority Applications (1)
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