专利名称：一种连续可调输出0－10v高稳定直流电压的电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种连续可调输出0-10V高稳定直流电压的电路，尤其是涉及一种利用PWM技术产生0-10V之间高稳定连续可调输出电压的电路。
背景技术：
在数据转换器、线性稳压器、电压检测器等电路中及精密测量仪表中，电压参考是不可缺少的重要部分，直接决定了整个系统的工作性能。目前，能提供高精度高稳定参考电压的器件主要有标准电池、带隙电压基准、齐纳电压基准等几类。标准电池采用饱和式韦斯顿标准电池，其优点是稳定性好，可达到Ippm/年，“纯直流”特性及无电网干扰等；主要缺点是不允许倒置，不能耐受机械冲击，在使用、运输、维护等方面都不方便，输出电压的温度系数较大，容量有限，传输损耗大，放电曲线不理想，大电流使用不稳定。带隙电压基准主要包括双极型带隙电压基准和CMOS带隙电压基准，由于温度系数、静态电流和功耗都很小的优点而得到广泛应用，但是与齐纳电压基准相比，准确度和稳定性稍微差一点。齐纳电压基准是利用硅稳压管反向击穿时通过一定的反向电流来产生稳定电压的，可分为表层齐纳电压基准和深埋齐纳电压基准。表层齐纳电压基准由于硅稳压管处于表层而含有较多的杂质、机械应力和晶格错位，会产生较大的噪声导致输出电压不稳定，输出阻抗高而导致输出电压随负载电流变化而变化，从而达不到很高的精度。深埋齐纳电压基准则采用了硅稳压管植入硅表面以下的结构，有了更高的精度和更少的噪声。然而，市场上能提供高精度高稳定参考电压的器件均为固定输出，不能满足电路设计中对连续可调电压的需求；而利用这些器件做成的能提供连续输出的电压源的稳定性只有10-5量级左右，不能满足对稳定性要求高的需求。PWM(pulse width modulation)因抗噪声能力强而得到广泛应用。PWM信号是具有一定占空比的信号，通过对这种信号进行傅里叶分析，可以发现其傅里叶级数展开式中含有与占空比成正比的直流分量及一些谐波分量，如果采用一定的滤波技术把谐波分量滤除，则输出信号中只含有直流分量。
发明内容为了满足能输出连续可调高稳定电压的需求，且克服现有的能提供连续可调电压输出的电压源稳定性差的不足，本实用新型的目的在于提供一种以深埋齐纳电压基准元件LTZ1000A主电路为基础，结合脉宽调制(PWM)技术实现的在0-10V范围内连续可调的高稳定直流电压源。本实用新型解决其问题所采用的技术方案是本实用新型包括电压基准芯片(I)、基准电路⑵、精密电阻升压网络⑶、PWM信号产生电路(4)、降压电路(5)、电压输出端口(6)、供电系统(7)、电缆(8) ;PWM信号产生电路(4)包括系统时钟源(9)、控制逻辑单元(10)、光纤发送电路(11)、光纤通信(12)、光纤接收电路(13)和I吴拟开关(14)。电压基准芯片⑴接基准电路(2),基准电路⑵的基准电压输出与精密电阻升压网络相接(3)，精密电阻升压网络(3)的输出接PWM信号产生电路
(4)，PWM信号产生电路⑷与降压电路(5)相接，降压电路(5)与电压输出端口(6)相接；其中PWM信号产生电路⑷系统时钟源(9)与控制逻辑单元(10)相接，控制逻辑单元(10)的控制信号接光纤发送电路(11)，光纤发送电路(11)接光纤通信(12)、光纤通信(12)与光纤接收电路相接(13)，光纤接收电路(13)用来控制模拟开关(14);供电系统(7)经电缆
(8)为各个电路提供所需要的电源电压。电压基准芯片采用LINEAR公司的LTZ1000A ;基准电路采用了二极管1N4148、三极管2N3904、运放LT1013、RX70型精密线绕电阻、EEI/8型高精密金属膜电阻器、校正电容；精密电压升压网络采用了 RX70型精密线绕电阻、运放0PA177GP ;PWM信号产生电路采用了模拟开关CD4066、系统时钟源采用了 Agilent 33220A、控制逻辑单元采用了 EP1C6Q240C8N型FPGA、光纤发送器和接收器分别采用了 AVAGO公司的T-1531Z和R-2531Z ;降压电路采 用了运放0PA177GP、二极管1N4148、校正电容、电感线圈、RX70型精密线绕电阻；输出电压端口采用了低热电热的插座；供电系统中采用了蓄电池及三端稳压芯片KA7805、KA7812、KA7815、KA7915。本实用新型具有的有益效果是本实用新型结构简单，测量方便，通过调节系统时钟频率与PWM信号的占空比，可方便得到连续的电压输出。
图I为本发明的整体结构示意图。图2为本发明精密电阻升压网络的实现原理图。图3为本发明PWM信号产生电路的原理图。图4为本发明降压电路的实现原理图。图中I.电压基准芯片，2.基准电路，3.精密电阻升压网络，4. PWM信号产生电路，
5.降压电路，6.电压输出端口，7.供电系统，8.电缆，9.系统时钟源，10.控制逻辑单元，
11.光纤发送电路，12.光纤通信，13.光纤接收电路，14.模拟开关。
具体实施方式
如图I所示，本实用新型的电路连接包括电压基准芯片I、基准电路2、精密电阻升压网络3PWM信号产生电路4、降压电路5、输出电压端口 6、供电系统7和电缆8 ;其中，PWM信号发生电路4包括系统时钟源9、控制逻辑单元10、光纤发送电路11、光纤通信12、光纤接收电路13和模拟开关14。电压基准芯片I连接基准电路2，基准电路2的基准电压输出与精密电阻升压网络3相连接，精密电阻升压网络3的输出连接PWM信号产生电路4，PWM信号产生电路4与降压电路5相连接，降压电路5与电压输出端口 6相连接；其中PWM信号产生电路4中的系统时钟源9与控制逻辑单元10相连接，控制逻辑单元10的控制信号连接至光纤发送电路11，光纤发送电路11连接光纤通信12，光纤通信12与光纤接收电路相连接13，光纤接收电路13用来控制模拟开关14 ;供电系统7经电缆8为各个电路提供所需要的电源电压其中电压基准芯片I采用LINEAR公司的LTZ1000A;基准电路2采用了二极管1N4148、三极管2N3904、运放LT1013、RX70型精密线绕电阻、EEI/8型高精密金属膜电阻器、校正电容；精密电压升压网络3采用了 RX70型精密线绕电阻、运放0PA177GP ;模拟开关14采用了⑶4066 ;降压电路5采用了运放0PA177GP、二极管1N4148、校正电容、电感线圈、RX70型精密线绕电阻；电压输出端口 6采用了低热电热的插座；系统时钟源9采用了具有高稳定性Agilent 33220A ;控制逻辑单元10采用了 EP1C6Q240C8N型FPGA ;光纤发送电路
11、光纤接收电路13分别采用了 AVAGO公司的T-1531Z和R-2531Z ;供电系统7中采用了蓄电池及三端稳压芯片KA7805、KA7812、KA7815、KA7915，电缆8采用了同轴电缆线。筛选出输出稳定的LTZ1000A作为主电路基准芯片，它典型电压在7. OV与7. 5V之间，老化指标不到Ippm/年，噪音仅I. 2uVp-p ;基准电路中关键电阻优选了高精密金属膜电阻器，其他电阻均采用了精密线绕电阻，运算放大器则优先选用了电流噪声、温度漂移和失调电压都很小的LT1013 ;为了尽可能减小接触热电势与气流的影响，把供电系统与其他电路隔离开、通过基准电路的关键电阻设定芯片内部温度略高于外部环境温度，并做好保温处理与电磁隔离。通过图2所示的精密电阻升压网络把基准电压升高至10V，该网络中选用了同一种类、同一批次、具有相同温度系数和阻值的高精密电阻，其优点是电阻稳定性变化不会导致其在整个网络中的比例变化。图3为幅值IOV的PWM信号产生原理图，为了隔离高速处理器对模拟开关的高频串扰，采用光纤隔离技术，传输信号中包含2路信号，其中一路信号的相位与另一路相反，控制两路开关，产生幅值为IOV的PWM信号。图4降压电路的输入是图3的输出，首先通过由精密运算放大器0PA177GP组成的跟随电路，以降低前一级电路的输出阻抗，然后接到由线圈、校正电容组成的LC滤波电路，以滤除PWM信号中的谐波成分及开关产生的纹波成分。考虑到传统LC滤波不能把所有的纹波滤除，为了得到更好的输出特性，增加了一级RC低通滤波电路。为了使前后级阻抗相匹配，在两级之间用精密运算放大器作了隔离。为了降低系统的输出阻抗，提高驱动负载的能力，在RC滤波电路后加了跟随与驱动电路。同时调节图3中的系统时钟源频率，使得输出电压的纹波最小。表I为反映本电路输出电压短期稳定性的数据统计表，其中7V为经筛选出来电压基准芯片经基准电路输出的基准电压，IOV为精密电阻升压网络输出的高稳定电压，8V，5V，2V分别为经调节系统时钟频率与占空比输出的可调电压。该测量数据基于本实用新型的具体实施例完成，具体描述如下a) 7V基准电压输出根据LTZ1000A芯片手册搭建图I中的基准电路。在该基准电路中关键电阻优选了 EE1/8高精密金属膜电阻器，其它电阻均采用了 RX70型精密线绕电阻，电容选用了稳定性较高的校正电容，运算放大器则优先选用了电流噪声、温度漂移和失调电压都很小的LT1013 ;通过供电系统中若干蓄电池组合后经三端稳压芯片KA7805、KA7812、KA7815、KA7915产生+5V、+-15V，+12V电压，为各个电路提供稳定的电源电压。为了尽可能减小接触热电势与气流的影响，把供电系统与其他电路隔离开、通过基准电路的关键电阻设定芯片内部温度略高于外部环境温度，并做好保温处理与电磁隔离。[0028]b) IOV电压输出得到7V基准电压之后，可采用由同一种类、同一批次、具有相同温度系数和阻值的RX70型高精密电阻组成的精密电阻升压网络来将其升至10V，其优点是电阻稳定性变化不会导致其在整个网络中的比例变化。该原理图如图均是RX70型高精密线绕电阻，具有相同的阻值和温度系数，其中R7处为7V基准电压输入端，Rltl处为IOV电压输出端，R11为微调电阻用来调节IOV输出电压的精度，运算放大器选用了 0PA177GP。
c)8V电压输出在精密电阻升压网络输出IOV电压的基础上，通过图I中的PWM信号产生电路、降压电路和电压输出端口来得到8V电压输出。首先通过图3所示的PWM信号产生电路原理图中的控制逻辑单元、光纤发送电路、光纤通信、光纤接收电路和模拟开关得到占空比为4/5、幅值为IOV的PWM信号；其次通过降压电路使得PWM信号产生电路中的PWM信号转换成对应的8V直流电压；最后调节系统时钟源使得输出8V直流电压的纹波最小并经过数字电压表进行测量得到相应的测量数据。d)5V电压输出在精密电阻升压网络输出IOV电压的基础上，通过图I中的PWM信号产生电路、降压电路和电压输出端口来得到5V电压输出。首先通过图3所示的PWM信号产生电路原理图中的控制逻辑单元、光纤发送电路、光纤通信、光纤接收电路和模拟开关得到占空比为1/2、幅值为IOV的PWM信号；其次通过降压电路使得PWM信号产生电路中的PWM信号转换成对应的5V直流电压；最后调节系统时钟源使得输出5V直流电压的纹波最小并经过数字电压表进行测量得到相应的测量数据。e)2V电压输出在精密电阻升压网络输出IOV电压的基础上，通过图I中的PWM信号产生电路、降压电路和电压输出端口来得到2V电压输出。首先通过图3所示的PWM信号产生电路原理图中的控制逻辑单元、光纤发送电路、光纤通信、光纤接收电路和模拟开关得到占空比为1/5、幅值为IOV的PWM信号；其次通过降压电路使得PWM信号产生电路中的PWM信号转换成对应的2V直流电压；最后调节系统时钟源使得输出2V直流电压的纹波最小并经过数字电压表进行测量得到相应的测量数据。
权利要求1.一种连续可调输出O-IOV高稳定直流电压的电路，包括电压基准芯片⑴和用于提供高稳定的基准电压的基准电路(2)，，其特征在于还包括精密电阻升压网络(3)、PWM信号产生电路(4)、降压电路(5)、电压输出端口(6)、供电系统(7)、电缆(8);其中PWM信号产生电路⑷包括系统时钟源(9)、控制逻辑单元(10)、光纤发送电路(11)、光纤通信(12)、光纤接收电路(13)和模拟开关(14),电压基准芯片(I)连接至基准电路(2)，基准电路(2)的基准电压输出连接至精密电阻升压网络(3)，精密电阻升压网络(3)的输出连接至PWM信号产生电路(4)，PWM信号产生电路⑷与降压电路(5)相连接，降压电路(5)与电压输出端口(6)相连接；PWM信号产生电路⑷中系统时钟源(9)与控制逻辑单元(10)相连接，控制逻辑单元(10)的控制信号连接至光纤发送电路(11)，光纤发送电路(11)连接至光纤通信(12)、光纤通信(12)与光纤接收电路相连接(13)，光纤接收电路(13)用来控制模拟开关(14);供电系统(7)经电缆(8)为各个电路提供所需要的电源电压。
2.根据权利要求I所述的一种连续可调输出0-10V高稳定直流电压的电路，其特征在于电压基准芯片(I)采用LINEAR公司的LTZ1000A电压基准芯片；基准电路⑵采用了二极管1N4148、三极管2N3904、运放LT1013、RX70型精密线绕电阻、EE1/8型高精密金属膜电阻器、高稳定校正电容。
3.根据权利要求I所述的一种连续可调输出0-10V高稳定直流电压的电路，其特征在于精密电阻升压网络(3)采用了 RX70型精密线绕电阻、运放OPA177GP。
4.根据权利要求I所述的一种连续可调输出0-10V高稳定直流电压的电路，其特征在于PWM信号产生电路(4)中系统时钟源(9)采用了具有高稳定性的Agilent 33220A ;控制逻辑单元(10)采用了 EP1C6Q240C8N型FPGA ;光纤发送电路(11)、光纤接收电路(12)分别采用了 AVAGO公司的T-1531Z、R-2531Z及通信光纤(13);模拟开关(14)采用了 CD4066。
5.根据权利要求I所述的一种连续可调输出0-10V高稳定直流电压的电路，其特征在于降压电路(5)采用运放0PA177GP、二极管1N4148、高稳定校正电容、电感线圈、RX70型精密线绕电阻；输出电压接口(6)采用低热电热的插座。
6.根据权利要求I所述的一种连续可调输出0-10V高稳定直流电压的电路，其特征在于供电系统(7)中采用若干蓄电池组合后经三端稳压芯片KA7805、KA7812、KA7815、KA7915并经电缆⑶为各电路提供稳定的电源电压，电缆⑶采用同轴线。
专利摘要本实用新型是一种连续可调输出0-10V高稳定直流电压的电路。所述电路包括电压基准芯片(1)、基准电路(2)、精密电阻升压网络(3)、PWM信号产生电路(4)、降压电路(5)、电压输出端口(6)、供电系统(7)、电缆(8)。利用电压基准芯片经合理的基准电路输出高稳定基准电压，在此基础上，采用精密电阻升压网络实现了基准电压到高稳定10V电压的转换。外接可调的系统时钟源，使用逻辑控制单元，利用光纤隔离来控制模拟开关产生幅值等于10V、有一定占空比的PWM信号，通过降压电路对PWM信号处理得到与占空比对应的直流电压信号。调节系统时钟源频率与PWM信号的占空比可实现0-10V之间的电压连续可调输出。
文档编号H02M1/14GK202384995SQ201220013128
公开日2012年8月15日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者兰江, 张钟华, 李正坤, 王刚, 贺青, 陈乐 , 韩冰, 鲁云峰 申请人:中国计量科学研究院