CN115390614A - 一种高精度交直两用恒压源电路及其温度输出双反馈补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度交直两用恒压源电路及其温度输出双反馈补偿方法，涉及高精度恒压源技术领域。本发明方法可在‑50℃‑75℃全温区内均具有18位输出精度，如±10V恒压源，则其输出精度可达到±38uV以内，电路包括FPGA、24位D/A电路、差分运放电路、温度传感器、24位A/D电路；温度传感器用于检查板载温度，24位A/D电路用于检查输出电压。本发明采用温度输出双反馈补偿技术，通过24位A/D电路将D/A输出反馈回输入将D/A本身对输出的影响从50ppm/℃提高到5ppm/℃以内，通过板载温度反馈补偿将电路的温度系数对恒压源的影响从30uV/℃提高到5uV/℃以内，大大提高了恒压源电路的温度稳定性和输出精度。
Description
技术领域
本发明涉及高精度恒压源技术领域，特别是涉及一种高精度交直两用恒压源电路及其温度输出双反馈补偿方法。
背景技术
恒压源是数模混合集成电路中的重要模块，它的作用是为系统提供一个与负载无关的恒定的输出电压，广泛应用于传感器驱动、精密测量控制、标准源等各种场合，由于器件特性受温度变化影响等原因，恒压源电路在全温范围内精度会有一定下降，难以满足高精度应用的性能需求；
目前，市面上几乎没有可在-50℃-75℃全温区内均具有18位电压输出精度的交直两用恒压源电路产品；因此，我们提出一种高精度交直两用恒压源电路及其温度输出双反馈补偿方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度交直两用恒压源电路及其温度输出双反馈补偿方法，以解决上述背景技术中的产品需求，适用于医疗、汽车、工业、军工、航天等领域的精密传感器测量、精密控制、标准源等各种场合。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种高精度交直两用恒压源电路,包括FPGA、24位D/A电路、差分运放电路、温度传感器、24位A/D电路，所述FPGA为主控，对电压设置进行快速处理响应、对24位D/A电路进行控制、对温度传感器和24位A/D读取和反馈控制，实现0-3KHz的直流或交变电压信号输出带宽。
所述恒压源电路采用24位D/A电路实现将数字信号转换为高精度的模拟差分电压信号。
所述恒压源电路采用差分运放电路实现将高精度的模拟差分电压信号调理后进行输出，所述差分运放电路包括运算放大器U18、电阻R20、电阻R21、电阻R23、电阻R24、电容C50、电容C51、电容C52、电容C54、电容C55，其中R20与R23相等，R21与R24相等。
所述恒压源电路采用24位A/D电路采样输出电压反馈给24位D/A电路，实现高精度恒压输出目的。
所述温度传感器测量板载温度并反馈给24位D/A电路，实现高精度全温恒压输出目的。
所述恒压源电路在-50℃-75℃全温区内均具有18位电压输出精度，当±10V恒压源，则其输出精度达到±38uV以内。
一种高精度交直两用恒压源电路的温度输出双反馈补偿方法，所述温度曲线多项式拟合公式的系数的获取步骤为：
S1：设置温箱温变曲线为25℃-80℃--55℃-80℃-25℃和温变速率为1℃/min，放置高精度交直两用恒压源电路到温箱中，温箱按温变曲线和温变速率开始自动改变温箱内部温度，连续测试并记录下各个温度点下温度传感器的温度，A/D采样值和输出电压；
S2：以温度传感器的温度为输入，以高精度恒压源电路的输出电压为输出，通过多项式曲线拟合公式对温度传感器的温度和高精度恒压源电路的输出电压进行拟合，将拟合得出的拟合系数写入FPGA程序，并进行FPGA程序烧写；
S3：以高精度恒压源电路的输出电压为输入，以A/D采样值为输出，通过多项式曲线拟合公式对A/D采样值和高精度恒压源电路的输出电压进行拟合，将拟合得出的拟合系数写入FPGA程序，并进行FPGA程序烧写。
所述FPGA通过24位A/D采样输出电压将D/A本身对输出的影响从50ppm/℃提高到5ppm/℃以内，所述FPGA通过温度传感器测量板载温度反馈补偿将电路的温度系数对恒压源的影响从30uV/℃提高到5uV/℃以内，所述FPGA通过温度曲线多项式拟合公式实时计算A/D采样值和板载温度的对应补偿电压，并控制24位D/A转换电路进行数模转换，进而修正输出电压。
本发明具有以下有益效果：
本发明高精度交直两用恒压源电路的温度输出双反馈补偿方法，采用温度输出双反馈补偿技术，通过24位A/D电路将D/A输出反馈回输入将D/A本身对输出的影响从50ppm/℃提高到5ppm/℃以内，通过板载温度反馈补偿将电路的温度系数对恒压源的影响从30uV/℃提高到5uV/℃以内，大大提高了恒压源电路的温度稳定性和输出精度。
本发明高精度交直两用恒压源电路，可在-50℃-75℃全温区内均具有18位电压输出精度，如±10V恒压源，则其输出精度可达到±38uV以内。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高精度交直两用恒压源电路的原理框图；
图2为本发明高精度交直两用恒压源电路的差分运放电路的电路原理图；
图3为本发明高精度交直两用恒压源电路的温度输出双反馈补偿方法的多项式曲线拟合公式的系数的获取步骤图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示：本发明为一种高精度交直两用恒压源电路，包括FPGA、24位D/A电路、差分运放电路、温度传感器、24位A/D电路，温度传感器用于检查板载温度，24位A/D电路用于检查输出电压。
如图2所示，24位D/A电路输出高精度的差分电压Vi接入差分运放电路，差分运放电路将高精度差分电压进行放大调理后进行输出，其计算公式为：
Vo＝Vi*(R21/R20)；
差分运放电路包括运算放大器U18、电阻R20、电阻R21、电阻R23、电阻R24、电容C50、电容C51、电容C52、电容C54、电容C55，其中R20与R23相等，R21与R24相等。具体地，运算放大器U18选用低噪声低温度系数的高精度运放，如OPA2182等；电阻R20、电阻R21、电阻R23、电阻R24选用5PPM/℃的低温度系数和0.01％的阻值精度的金属膜电阻；温度传感器可选用DS18B20；24位D/A电路可选用DAC1282；
上述各元器件之间，通过24位D/A电路，其正极电性连接电阻R23，其负极电性连接电阻R20，电阻R23的输出端连接电阻R21，电阻R20的输出端连接电阻R24，电阻R24一端接地，电阻R20和电阻R23的并联电路中分别连接第二导线和第三导线，第二导线和第三导线的输出端连接控制终端，其中，控制终端还分别连接有电容C50、电容C51、电容C52、电容C54，电容C50和电容C51经运算放大器U18连接控制终端，电阻R21的并联电路中连接第一导线，其呈恒压(或交变电压)输出，第一导线的输出端同样与控制终端电连接。
本方案采用温度输出双反馈补偿技术和精度，首先进行板载温度传感器的温度系数补偿，然后进行A/D电路的误差项系数补偿，可以精确地控制恒压源电路的反馈补偿效果，提升恒压源电路的温度特性和精度。
进一步地，本实施例中采用的温度曲线拟合公式为：
y＝an*xn+an-1*xn-1+...+a2*x2+a1*x+a0(n为正整数)
其中，a0，a1，…an为拟合系数，x为温度，y为拟合后的输出。
如图3所示：一种高精度交直两用恒压源电路的温度输出双反馈补偿方法，温度曲线多项式拟合公式的系数的获取步骤为：
S1：设置温箱温变曲线为25℃-80℃--55℃-80℃-25℃和温变速率为1℃/min，放置高精度交直两用恒压源电路到温箱中，温箱按温变曲线和温变速率开始自动改变温箱内部温度，连续测试并记录下各个温度点下温度传感器的温度，A/D采样值和输出电压；
S2：以温度传感器的温度为输入，以高精度恒压源电路的输出电压为输出，通过多项式曲线拟合公式对温度传感器的温度和高精度恒压源电路的输出电压进行拟合，将拟合得出的拟合系数写入FPGA程序，并进行FPGA程序烧写；
S3：以高精度恒压源电路的输出电压为输入，以A/D采样值为输出，通过多项式曲线拟合公式对A/D采样值和高精度恒压源电路的输出电压进行拟合，将拟合得出的拟合系数写入FPGA程序，并进行FPGA程序烧写。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。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例或示例。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例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种高精度交直两用恒压源电路，其特征在于，包括FPGA、24位D/A电路、差分运放电路、温度传感器、24位A/D电路，所述FPGA为主控，对电压设置进行快速处理响应、对24位D/A电路进行控制、对温度传感器和24位A/D读取和反馈控制，实现0-3KHz的直流或交变电压信号输出带宽。
2.根据权利要求1所述的一种高精度交直两用恒压源电路，其特征在于，所述恒压源电路采用24位D/A电路实现将数字信号转换为高精度的模拟差分电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种高精度交直两用恒压源电路，其特征在于，所述恒压源电路采用差分运放电路实现将高精度的模拟差分电压信号调理后进行输出，所述差分运放电路包括运算放大器U18、电阻R20、电阻R21、电阻R23、电阻R24、电容C50、电容C51、电容C52、电容C54、电容C55，其中R20与R23相等，R21与R24相等。
4.根据权利要求1所述的一种高精度交直两用恒压源电路，其特征在于，所述恒压源电路采用24位A/D电路采样输出电压反馈给24位D/A电路，实现高精度恒压输出目的。
5.根据权利要求1所述的一种高精度交直两用恒压源电路，其特征在于，所述温度传感器测量板载温度并反馈给24位D/A电路，实现高精度全温恒压输出目的。
6.根据权利要求1所述的一种高精度交直两用恒压源电路，其特征在于，所述恒压源电路在-50℃-75℃全温区内均具有18位电压输出精度，当±10V恒压源，则其输出精度达到±38uV以内。
7.一种高精度交直两用恒压源电路的温度输出双反馈补偿方法，其特征在于，所述温度曲线多项式拟合公式的系数的获取步骤为：
S1：设置温箱温变曲线为25℃-80℃--55℃-80℃-25℃和温变速率为1℃/min，放置高精度交直两用恒压源电路到温箱中，温箱按温变曲线和温变速率开始自动改变温箱内部温度，连续测试并记录下各个温度点下温度传感器的温度，A/D采样值和输出电压；
S2：以温度传感器的温度为输入，以高精度恒压源电路的输出电压为输出，通过多项式曲线拟合公式对温度传感器的温度和高精度恒压源电路的输出电压进行拟合，将拟合得出的拟合系数写入FPGA程序，并进行FPGA程序烧写；
S3：以高精度恒压源电路的输出电压为输入，以A/D采样值为输出，通过多项式曲线拟合公式对A/D采样值和高精度恒压源电路的输出电压进行拟合，将拟合得出的拟合系数写入FPGA程序，并进行FPGA程序烧写。
8.根据权利要求7所述的一种高精度交直两用恒压源电路的温度输出双反馈补偿方法，其特征在于，所述FPGA通过24位A/D采样输出电压将D/A本身对输出的影响从50ppm/℃提高到5ppm/℃以内，所述FPGA通过温度传感器测量板载温度反馈补偿将电路的温度系数对恒压源的影响从30uV/℃提高到5uV/℃以内，所述FPGA通过温度曲线多项式拟合公式实时计算A/D采样值和板载温度的对应补偿电压，并控制24位D/A转换电路进行数模转换，进而修正输出电压。
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