一種脈寬調(diào)制的高穩(wěn)定連續(xù)可調(diào)直流電壓源

王 剛， 蘭 江， 陳 樂， 李正坤， 王 農(nóng)

（1.中國計(jì)量學(xué)院，浙江杭州 310018； 2.清華大學(xué)，北京 100084；

3.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013； 4.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071002）

一種脈寬調(diào)制的高穩(wěn)定連續(xù)可調(diào)直流電壓源

王 剛1，3， 蘭 江2，3， 陳 樂1， 李正坤3， 王 農(nóng)4

（1.中國計(jì)量學(xué)院，浙江杭州 310018； 2.清華大學(xué)，北京 100084；

3.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013； 4.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071002）

介紹了一種以深埋齊納電壓基準(zhǔn)元件LTZ1000A主電路為基礎(chǔ)，結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的在0～10 V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的高穩(wěn)定直流電壓源。選用精密電阻并采用適當(dāng)?shù)谋嘏c隔離措施，實(shí)現(xiàn)了電壓基準(zhǔn)主電路輸出高穩(wěn)定7 V電壓，其短期穩(wěn)定性達(dá)到1.7×10－8。利用具有相同溫度系數(shù)和阻值的精密電阻組成比例升壓電阻網(wǎng)絡(luò)，使輸出10 V電壓的短期穩(wěn)定性為2.4×10－8。同時(shí)利用脈寬調(diào)制并經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換電路及濾波電路得到0～10 V的電壓輸出，短期穩(wěn)定性可在10－7量級左右。

計(jì)量學(xué)；直流電壓源；脈寬調(diào)制；連續(xù)可調(diào)；高穩(wěn)定

1 引 言

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、線性穩(wěn)壓器、電壓檢測器等電路及精密測量儀表中，電壓參考是不可缺少的重要部分，直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。然而，市場上能提供高精度、高穩(wěn)定參考電壓的器件大都為恒壓輸出，不能滿足電路設(shè)計(jì)中對連續(xù)可調(diào)電壓的需求；而能提供連續(xù)輸出電壓的器件穩(wěn)定性通常只有10－5量級左右，不能滿足對穩(wěn)定性要求高的需求。

針對上述要求，本文提出了一種以深埋齊納電壓基準(zhǔn)元件LTZ1000A主電路為基礎(chǔ)，結(jié)合脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的在0～10 V［1］范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的高穩(wěn)定直流電壓源，其主要技術(shù)特征為：

（1）基準(zhǔn)電路輸出的7 V電壓和升壓網(wǎng)絡(luò)輸出的10 V電壓，短期（0.5 h）相對標(biāo)準(zhǔn)差均達(dá)到10－8量級。

（2）可輸出0～10 V連續(xù)可調(diào)電壓，短期（0.5 h）相對標(biāo)準(zhǔn)差在10－7左右。

2 設(shè)計(jì)原理

使用電壓基準(zhǔn)芯片與優(yōu)化匹配的外部電路、升壓網(wǎng)絡(luò)得到高穩(wěn)定的10 V電壓，在此基礎(chǔ)上，本文采用PWM調(diào)制技術(shù)得到0～10 V連續(xù)可調(diào)電壓，原理如下。

PWM信號表達(dá)式為

式中，VH＝10 V；T為單片機(jī)（micro-programmed controlunit，MCU）的機(jī)器周期；N為1個(gè)周期內(nèi)機(jī)器周期的總數(shù)；n為高電平的機(jī)器周期總數(shù)。

其傅里葉級數(shù)的系數(shù)分別為

而當(dāng)k為其他值時(shí)，f（t）中會有更多的正弦及余弦諧波分量。

如果濾除了所有的諧波分量與紋波，調(diào)節(jié)占空比n／N，理論上就可以得到0～10 V之間連續(xù)的電壓。

3 設(shè)計(jì)方案

為得到0～10 V連續(xù)可調(diào)電壓，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1，主要包括直流恒壓基準(zhǔn)電路、升壓網(wǎng)絡(luò)和調(diào)壓電路3部分。

圖1 直流電壓參考系統(tǒng)框圖

3.1 直流恒壓基準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)

直流恒壓基準(zhǔn)電路的關(guān)鍵部件是電壓基準(zhǔn)芯片，其有3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：溫度漂移、低頻噪聲和年穩(wěn)定性，而年穩(wěn)定性是最重要的指標(biāo)。市場上能直接輸出10 V的電壓基準(zhǔn)芯片，如VRE 100、AD587L等，年穩(wěn)定性均大于10×10－6，噪聲峰峰值均大于3 μV，而LTZ1000A年穩(wěn)定性優(yōu)于1×10－6，噪聲峰峰值僅1.2μV［2］，輸出典型值電壓為7.0～7.5 V，只要配以合理的外部電路就能得到10 V電壓，并使輸出電壓具有優(yōu)越的性能指標(biāo)，故本系統(tǒng)采用LTZ1000A作為基準(zhǔn)電壓芯片。

為了得到穩(wěn)定的輸出，還應(yīng)考慮3個(gè)方面的因素：（1）器件本身固有的0.1～10 Hz噪聲對輸出電壓的影響；（2）散熱不均勻及接觸熱電勢對輸出的影響；（3）圖2所示外部電路中電阻穩(wěn)定性對輸出電壓的影響，主要體現(xiàn)在工作電流由外部電阻R1設(shè)定，運(yùn)放輸入正向端電壓直接受R2～R3的影響，片內(nèi)集成的溫度傳感器和加熱絲則由電阻R4與R5的比值來設(shè)定等［2］。

為此，首先挑選輸出最為穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)芯片LTZ1000A為主電路芯片［3］。其次，為了盡可能減小接觸熱電勢與氣流的影響，設(shè)定LTZ1000A內(nèi)部溫度略高于外部環(huán)境溫度，并做好保溫處理與電磁隔離。最后，電路中的R1～R5等關(guān)鍵電阻優(yōu)選了高精密金屬膜電阻器，其他電阻均采用了精密線繞電阻，運(yùn)算放大器則優(yōu)先選用了電流噪聲、溫度漂移和失調(diào)電壓等參數(shù)均較小的LT1013［3，4］。

3.2 升壓網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

得到恒壓基準(zhǔn)后，需要電阻升壓網(wǎng)絡(luò)使其升至10 V，為此可采用同一種類、同一批次、具有相同溫度系數(shù)和阻值的高精密電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是電阻穩(wěn)定性變化不會導(dǎo)致其在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的比例變化。

升壓網(wǎng)絡(luò)原理結(jié)構(gòu)圖見圖3，其中R1～R10為高精密線繞電阻，具有相同的阻值和溫度系數(shù)，R7處為7 V基準(zhǔn)電壓的輸入端，R10處為10 V電壓的輸出端，R11為微調(diào)電阻，用來調(diào)節(jié)10 V輸出電壓的偏差。

3.3 調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)

圖2 輸出高穩(wěn)定7 V電壓的電路

圖3 升壓網(wǎng)絡(luò)原理結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)原理，本文采用PWM技術(shù)對上節(jié)得到的高穩(wěn)定10 V電壓進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)0～10 V電壓連續(xù)可調(diào)輸出。

（1）PWM調(diào)制信號的產(chǎn)生

圖4為PWM信號輸出原理結(jié)構(gòu)圖，用兩路相位相反的信號控制2個(gè)模擬開關(guān)。為了隔離MCU對模擬開關(guān)的高頻串?dāng)_，在MCU與模擬開關(guān)之間采用了光隔離技術(shù)。（2）DC-DC轉(zhuǎn)換電路

圖4 PWM信號輸出原理結(jié)構(gòu)圖

由設(shè)計(jì)原理可知，只有濾除PWM信號中的諧波和紋波，才能得到高穩(wěn)定的電壓。本文采用DCDC轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)這一目的。

DC-DC轉(zhuǎn)換電路主要包含LC與RC的濾波電路，見圖5。實(shí)驗(yàn)證明只有LC濾波電路并不能把所有的紋波濾除，為了得到更好的輸出特性，本文增加了一級RC低通濾波電路。而濾波電路的參數(shù)可根據(jù)式（4）中的一階分量的頻率來設(shè)計(jì)。

由于本系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)占空比n／N來控制電壓輸出，為了簡化設(shè)計(jì)濾波電路，根據(jù)輸出電壓來調(diào)整MCU工作頻率。為更好地濾除諧波分量，取fL為2／f1的1／10～1／5［5］，其中，f1為使輸出最小分辨率電壓（VH／N）紋波最小的工作頻率；fL為濾波器截止頻率。另外，PWM信號在濾波電路中會產(chǎn)生諧波電流，較大的電容會增大諧波電流，過大的電流會加劇電感和電容發(fā)熱［5］，影響系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性。如果兩者的參數(shù)不匹配，還有可能發(fā)生諧振，對電路產(chǎn)生嚴(yán)重影響［6］。選擇參數(shù)時(shí)，應(yīng)在不引起諧振的前提下，增大電感值。

圖5 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

為了使前后兩級濾波器的阻抗相匹配，在兩級之間用精密運(yùn)算放大器作了隔離。為了降低系統(tǒng)的輸出阻抗，提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，在RC濾波電路后加了跟隨電路。

3.4 運(yùn)算放大器的選擇

運(yùn)算放大器的性能是影響本系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性的重要因素之一，選用運(yùn)算放大器時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮運(yùn)放的失調(diào)電壓及其漂移、噪聲、共模抵制比等因素，根據(jù)文獻(xiàn)［7］中的相關(guān)方法，綜合各個(gè)因素本系統(tǒng)選用的運(yùn)算放大器為OPA177GP。

3.5 穩(wěn)定直流供電的設(shè)計(jì)

為了給整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)良好的供電環(huán)境，本系統(tǒng)采用蓄電池直流供電，經(jīng)三端穩(wěn)壓芯片為后續(xù)電路提供電壓，輸出的±15 V電壓溫漂為1.8 mV／℃，噪聲40μV，滿足了后續(xù)電路對電壓的需求。

3.6 數(shù)據(jù)采集

為更合理地考查系統(tǒng)的輸出特性，且防止人為因素的干擾，采取了計(jì)算機(jī)LABVIEW程序控制Agilent3458A型8位半數(shù)字電壓表自動(dòng)采集的方法記數(shù)，測量結(jié)果由計(jì)算機(jī)直接顯示并記錄下來。

4 測量結(jié)果

本文針對系統(tǒng)的5 V、7 V、8 V和10 V等電壓進(jìn)行測量，其中7 V為直流恒壓基準(zhǔn)電路輸出的基準(zhǔn)電壓，10 V則是經(jīng)升壓網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓，5 V和8 V是由可調(diào)電路輸出的電壓，測量結(jié)果見圖6～圖9，測試結(jié)果的平均值及相對標(biāo)準(zhǔn)差見表1。

圖6 7 V電壓輸出曲線圖

圖7 10 V電壓輸出曲線圖

圖8 5 V電壓輸出曲線圖

圖9 8 V電壓輸出曲線圖

表1 所測電壓平均值及相對標(biāo)準(zhǔn)差

5 結(jié) 論

通過優(yōu)選性能突出的外圍器件與采用合理的電路結(jié)構(gòu)，直流恒壓基準(zhǔn)電路輸出的7 V電壓短期穩(wěn)定性為1.7×10－8；通過升壓網(wǎng)絡(luò)得到10 V電壓的短期穩(wěn)定性可達(dá)2.4×10－8；可調(diào)電路輸出的0～10 V連續(xù)可調(diào)電壓的短期穩(wěn)定性可達(dá)到10－7量級，均滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

在后續(xù)的研究中，擬設(shè)計(jì)電路以更有效地消除紋波和諧波信號且減小電路中有用信號的損耗，以進(jìn)一步提高經(jīng)脈寬調(diào)制輸出電壓的穩(wěn)定性。

［1］ 馮占嶺，胡衍瑞，張力力.10伏電壓標(biāo)準(zhǔn)及其量值傳遞［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，1987，8（1）：42－45.

［2］ Spreadbury P J.The Ultra-Zener-a portable replacement for theWeston cell［J］.MeasSciTechnol，1990，4：687－690.

［3］ Field B M.An improved transportable DC voltage standard［J］.IEEEtransactionsoninstrumentationand measurement，1989，38（2）：324－329.

［4］ 胡毅飛，周庚如，王路，等.10V直流電壓標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，1999，21（3）：205－208.

［5］ 宋強(qiáng)，劉文華，嚴(yán)干貴，等.大容量PWM電壓源逆變器的LC濾波器設(shè)計(jì)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，43（3）：345－348.

［6］ 夏廷君.有源電力濾波裝置中LC濾波器改進(jìn)設(shè)計(jì)的研究［D］.長春：哈爾濱理工大學(xué)，2010.

［7］ 王農(nóng)，韓冰，賀青，等.普朗克常數(shù)h測定系統(tǒng)中磁場線圈穩(wěn)流源研究［J］.電測與儀表，2011，48（547）：1－6.

A Consecutively Adjustable and High Stable DC Voltage Source with PWM Chopped Modulator

WANG Gang1，3， LAN Jiang2，3， CHEN Le1， LIZheng-kun3， WANG Nong4
（1.China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang310018，China；
2.Tsinghua University，Beijing 100084，China； 3.National Institute of Metrology，Beijing 100013，China；
4.College of Quality and Supervisor Technology，Hebei University，Baoding，Hebei071002，China）

A continuously adjustable high stable DC voltage reference based on subsurface Zener reference LTZ1000A is presented and PWM technique is adopted to output voltages between 0～10 V.With selecting high precise resistors and using appropriatemeasures to insulate and isolate，the short-time relative stability of 7 V output voltage provided by LTZ 1000 is 1.7×10－8.The voltage of 10 V is increased up by a network，composed by high precise resistors with the same temperature coefficient，and its short-time relative stability is 2.4×10－8.The voltage of 0～10 V generated by PWM technique and suitable DC-DC conversion-filter circuit aremeasured and the short term relative stabilities are about10－7.

Metrology；DC voltage source；PWM；Continuously ad justable；High stable

TB971

A

1000-1158（2014）02-0169-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．16

2012-02-22；

2013-12-23

王剛（1988－），男，河南新鄉(xiāng)人，中國計(jì)量學(xué)院研究生，從事精密電磁測量研究。wywanggang163＠163.com