專(zhuān)利名稱(chēng)：數(shù)控直流電壓源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子信息行業(yè)電源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用數(shù)字信號(hào)輸入來(lái)控制輸出的數(shù)控直流電壓源。
背景技術(shù)：
電壓電流源是很多儀器設(shè)備研制的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一，電源在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度，電源在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果。
普通直流穩(wěn)壓電源品種很多，但均存在以下問(wèn)題:①輸出電壓或電流通過(guò)粗調(diào)(波段開(kāi)關(guān))及細(xì)調(diào)(電位器)來(lái)調(diào)節(jié)。這樣，當(dāng)輸出電壓或電流需要精確輸出，或需要在一個(gè)小范圍內(nèi)改變時(shí)(如1.01 1.02V或1.01 1.02mA)，困難就較大。另外，隨著使用時(shí)間的增加，波段開(kāi)關(guān)及電位器難免接觸不良，對(duì)輸出會(huì)有影響；②顯示用機(jī)械電壓，導(dǎo)致用戶(hù)所需電壓、電流難以準(zhǔn)確掌控，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，若顯示輸出是對(duì)電壓的量化值直接進(jìn)行譯碼顯示輸出，其顯示值為D/A變換的輸入量，由于D/A變換與功率驅(qū)動(dòng)電路弓丨入的誤差，使得顯示值與電源實(shí)際輸出值之間可能出現(xiàn)較大的偏差。傳統(tǒng)的多功能直流穩(wěn)壓電源功能簡(jiǎn)單、難控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高。
隨著技術(shù)的發(fā)展，在電子設(shè)備中經(jīng)常用到穩(wěn)定性好、精度高、輸出可預(yù)置的直流電壓源。數(shù)控直流電源以其智能化程度高、控制能活、精度高、操作簡(jiǎn)單方便、人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn)在電子裝置中越來(lái)越廣泛的使用?，F(xiàn)在的數(shù)控直流電壓源多采用數(shù)模變換器產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸出電壓，對(duì)設(shè)定值和輸出值的偏差進(jìn)行修正，為了得到精確的輸出電壓，有的還采用了模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)，在輸出雙極性電壓時(shí)還有輸出極性換向電路。
申請(qǐng)人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有數(shù)控直流電壓源存在如下技術(shù)缺陷:其智能化程度低，控制復(fù)雜，用戶(hù)通常難于掌握；并且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于后期的保養(yǎng)與維護(hù)。發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
為解決上述的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種數(shù)控直流電壓源，以利用數(shù)字輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制。
( 二 )技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種數(shù)控直流電壓源。該數(shù)控直流電壓源包括:控制模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和功率運(yùn)放模塊，其中:控制模塊，用于產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)Vinl,并將第一數(shù)字信號(hào)Vinl發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)模塊；轉(zhuǎn)發(fā)模塊，與控制模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)發(fā)至D/A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換為模擬電壓VIS ;功率運(yùn)放模塊，其第一輸入端與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端相連接，其輸出端連接數(shù)控直流電壓源的輸出端，用于輸出第一數(shù)字信號(hào)Vinl對(duì)應(yīng)的輸出電壓Vo。
(三)有益效果
本數(shù)控直流電壓源采用由D/A提供基準(zhǔn)電壓再通過(guò)功率運(yùn)放輸出，從輸出電壓采樣反饋至功率運(yùn)放的輸入端進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電壓可達(dá)幾十伏，精度可達(dá)1%。，無(wú)需輸出極性換向電路就能實(shí)現(xiàn)雙向電壓輸出。此外，本數(shù)控直流電壓源還具有過(guò)流保護(hù)功能和對(duì)輸出電壓和電流的測(cè)量顯示功能。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電壓源連接關(guān)系的示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電壓源的電路示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例具有過(guò)流保護(hù)模塊的數(shù)控直流電壓源的示意圖4是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電流源連接關(guān)系的示意圖5為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電流源的電路示意圖6為本發(fā)明實(shí)施例具有過(guò)壓保護(hù)模塊的數(shù)控直流電流源的示意圖7是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電源連接關(guān)系的示意圖8為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電源的電路示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于所述值。
本發(fā)明提出了一種數(shù)控電壓/電流源系統(tǒng)，電源的各項(xiàng)參數(shù)及操作均在PC機(jī)上的控制界面中進(jìn)行設(shè)置，電源的控制芯片根據(jù)設(shè)置控制其它各部分電路協(xié)同工作，得到滿(mǎn)足要求的電源。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明以PC機(jī)和可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA為例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，其他的具有相同功能的裝置或者模塊也可以代替相應(yīng)部件，此處不再詳細(xì)說(shuō)明。
以下分三部分對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明:電壓源、電流源、可以實(shí)現(xiàn)電壓源和電流源轉(zhuǎn)換的混合電源。
第一部分:數(shù)控直流電壓源
圖1是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電壓源連接關(guān)系的示意圖。如圖1所示，PC機(jī)和FPGA通過(guò)PC機(jī)后的通訊端口相連，PC機(jī)上的控制軟件將電源的預(yù)設(shè)參數(shù)經(jīng)過(guò)處理后傳給FPGA，F(xiàn)PGA將A/D轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量到的輸出電壓值或電流值傳給PC機(jī)。FPGA和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流檔位選擇模塊、采樣模塊、測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制和數(shù)據(jù)交互。D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA送來(lái)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出到功率運(yùn)放模塊和過(guò)流保護(hù)模塊。電流檔位選擇模塊實(shí)現(xiàn)輸出電流的檔位選擇。采樣模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和輸出電流的米樣，并將輸出電壓米樣信號(hào)送給功率運(yùn)放模塊實(shí)現(xiàn)恒定的電壓輸出；將輸出電壓和輸出電流采樣信號(hào)送給過(guò)流保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)輸出的限流；將輸出電壓和輸出電流采樣信號(hào)送給測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊將輸出電壓或輸出電流的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)輸出電壓或輸出電流的測(cè)量。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電壓源的電路示意圖。電流檔位選擇模塊中Kf-Kn分別對(duì)應(yīng)不同的電流檔，每檔的電流范圍可由PC上的控制軟件靈活設(shè)定。假設(shè)K1對(duì)應(yīng)的電流范圍為[-11, IJ，K2對(duì)應(yīng)的電流范圍為[_12，-11)和(I1, I2]，Kn對(duì)應(yīng)的電流范圍為[-1n，-1n-1)和(In+ IJ，其中 O < I1 < I2 <吣< Ilri < In。在任意時(shí)刻，Kr..Kn 中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，其中η的值可根據(jù)輸出電流的范圍而定。米樣模塊中G^..Gm分別對(duì)應(yīng)不同的電壓采樣系數(shù)。假設(shè)G1對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[-V1, V1],電壓采樣系數(shù)為qi，G2對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[-V2，-V1)和(V1, V2]，電壓采樣系數(shù)為q2，Gm對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[_Vm，-Vm^1)和(Vm，VJ，電壓采樣系數(shù)為qm，其中O < V1 < V2 <吣< Vnri < Vm。在任意時(shí)刻，G^"Gm中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，其中m的值可根據(jù)輸出電壓的范圍而定。測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊中，當(dāng)電壓源設(shè)置為測(cè)壓時(shí)，開(kāi)關(guān)J2的H、L導(dǎo)通，將輸出電壓的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊；當(dāng)電壓源設(shè)置為測(cè)流時(shí)，開(kāi)關(guān)J2的H、M導(dǎo)通，將輸出電流的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。過(guò)流保護(hù)模塊將輸出電流限制在預(yù)設(shè)的限流范圍內(nèi)。
如圖2所示，本實(shí)施例數(shù)控直流電壓源包括:控制模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、功率運(yùn)放模塊和采樣模塊，其中:控制模塊，用于產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)Vinl，并將第一數(shù)字信號(hào)Vinl發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)模塊；轉(zhuǎn)發(fā)模塊，與控制模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)發(fā)至D/A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換為模擬電壓VIS ;功率運(yùn)放模塊，其第一輸入端與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端相連接，其輸出端連接數(shù)控直流電壓源的輸出端，用于輸出第一數(shù)字信號(hào)Vinl對(duì)應(yīng)的輸出電壓\。
本實(shí)施例中，數(shù)控直流電壓源還包括:采樣模塊?？刂颇K，包括:存儲(chǔ)單元、電路選擇單元和計(jì)算單元；其中:存儲(chǔ)單元，用于預(yù)存采樣模塊中m組電壓采樣電路的電壓范圍區(qū)間及其對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)；選擇單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的輸出電壓值Vfert所在的電壓范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電壓采樣電路，并將該電壓采樣電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至采樣模塊；計(jì)算單元，用于根據(jù)輸出電壓值Vfert和被選擇的電壓采樣電路對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)Qi計(jì)算(-VttetXqi)，并根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第一數(shù)字信號(hào)Vinl，m彡1(其中，(-VfertXqi)是一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，而D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸入是2進(jìn)制碼，因此在將浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)值輸入至D/A轉(zhuǎn)換模塊之前，需要根據(jù)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊的要求)。采樣模塊，包括: 電壓采樣單元和第一控制單元；其中:電壓采樣單元，其控制端與第一控制單元相連接，其輸入端與數(shù)控直流電壓源的負(fù)載相連接，其輸出端與功率運(yùn)放模塊的第二輸入端相連接，包括:并聯(lián)的η組電壓采樣電路；第一控制單元，與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于根據(jù)電壓采樣電路的序號(hào)連通相應(yīng)的電壓采樣電路，同時(shí)斷開(kāi)除該電壓采樣電路之外的電壓采樣電路。
其中，采樣模塊，電壓采樣單元中每一組電壓采樣電路包括:運(yùn)算子單元，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電壓源的輸出電壓％與該組電壓采樣電路對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)Cii的乘積運(yùn)算；及開(kāi)關(guān)子單元，與運(yùn)算子單元串聯(lián)，用于在第一控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電壓采樣電路的連通與斷開(kāi)。對(duì)于電壓采樣單元中每一組電壓采樣電路G1:電壓范圍區(qū)間和電壓采樣系數(shù)的關(guān)系為電壓范圍區(qū)間 乘以電壓采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在D/A轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。至此，可以實(shí)現(xiàn)精確控制輸出電壓的作用。
此外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控直流電壓源輸出電流的精確測(cè)量，如圖2所示，本發(fā)明數(shù)控直流電壓源還包括:電流檔位選擇模塊?？刂颇K中:存儲(chǔ)單元，還用于預(yù)存電流檔位選擇模塊中并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路的電流范圍區(qū)間；選擇單元，還用于根據(jù)預(yù)設(shè)的輸出限流值Ikt和存儲(chǔ)單元中的電流范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電流檔位選擇電路，并將該組電流檔位選擇電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至電流檔位選擇模塊。電流檔位選擇模塊，位于功率運(yùn)放模塊和數(shù)控直流電壓源的負(fù)載之間，包括:第二控制單元和檔位選擇單元，其中:檔位選擇單元，其控制端與第二控制單元相連接，其輸入端與功率運(yùn)放模塊的輸出端相連接，其輸出端與數(shù)控直流電壓源的負(fù)載相連接；包括:并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路，n ^ I ;第二控制單元，與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于控制將電流檔位選擇電路的序號(hào)對(duì)應(yīng)的電流檔位選擇電路連通，將其他電流檔位選擇電路斷開(kāi)。
本實(shí)施例中，電流檔位選擇模塊，檔位選擇單元中每一組電流檔位選擇電路包括:采樣電阻及開(kāi)關(guān)子單元；開(kāi)關(guān)子單元與采樣電阻串聯(lián)，用于在第二控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電流檔位選擇電路的連通與斷開(kāi)。對(duì)于電流檔位選擇模塊，檔位選擇單元中每一組電流檔位選擇電路&:電流范圍區(qū)間、電阻和電流采樣系數(shù)P的關(guān)系為電流范圍區(qū)間乘以電阻再乘以電流采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
此外，對(duì)于一般的數(shù)控直流電壓源，還需要PC機(jī)上顯示其輸出的電壓值和輸出電流值。如圖2所示，本發(fā)明數(shù)控直流電壓源還包括:測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其第一端口與所述電流采樣單元的輸出端口相連接，其第二端口與所述電壓采樣單元的輸出端口相連接，其第三端口連接至所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端口 ；在測(cè)壓模式下，將第二端口連接至第三端口，在測(cè)流模式下，將第一端口連接至第三端口。采樣模塊包括:電壓采樣單元和電流采樣單元。電壓采樣單元，其輸入端與電壓源的負(fù)載相連接，其輸出端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第二端口相連接，用于將采集到的輸出電壓信號(hào)Vfv發(fā)送至測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其中，Vfv = VtjXqi，其中Vtj為電壓源輸出電壓，Qi為被選擇的電壓采樣電路對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)。電流采樣單元，其兩輸入端分別與電流檔位選擇電路的輸入端和輸出端相連接，其輸出端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第一端口相連接，用于將采集到的輸出電流信號(hào)Vfi發(fā)送至測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其中Vfi = 10XRjXp, Itj為電壓源輸出電流，Rj為被選擇的電流檔位區(qū)間對(duì)應(yīng)的采樣電阻，P為電流采樣系數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第三端口相連接，在測(cè)壓模式下，用于將輸出電壓采樣信號(hào)Vfv由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并將該電壓測(cè)量值在PC機(jī)上進(jìn)行顯示；在測(cè)流模式下，用于將輸出電流采樣信號(hào)Vfi由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電流信號(hào)，并將該數(shù)字電流信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并判斷所測(cè)得的電流值是否在選定的電流區(qū)間內(nèi)，并根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行以下步驟:如果不是，且該電流區(qū)間不是最小級(jí)的電流檔位區(qū)間，則將小一級(jí)的電流檔位選擇電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至第二控制單元重新進(jìn)行測(cè)量，如果是或該電流區(qū)間是最小級(jí)的電流檔位區(qū)間，則將該電流測(cè)量值在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。在電壓源工作時(shí)，若控制模塊不斷使模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電壓和電流的測(cè)量，則可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓源的輸出電壓和輸出電流。至此，實(shí)現(xiàn)輸出電壓和輸出電流的測(cè)量及顯示功能。
進(jìn)一步的，對(duì)于本發(fā)明的數(shù)控直流電壓源，還具有過(guò)流保護(hù)的功能。圖3為本發(fā)明實(shí)施例具有過(guò)流保護(hù) 功能的數(shù)控直流電壓源的示意圖。如圖3所示，本發(fā)明數(shù)控直流電壓源還包括:過(guò)流保護(hù)模塊?？刂颇K中，計(jì)算單元，還用于計(jì)算(IktXRjXp)的值，并根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第二數(shù)字信號(hào)Vin2,再通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換模塊，其中, 為被選擇的電流檔位區(qū)間的電阻值；D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于將數(shù)字信號(hào)Vin2轉(zhuǎn)換為模擬限流電壓VIL，并從其第二輸出端輸出；過(guò)流保護(hù)模塊,包括:第一運(yùn)放單元和第二運(yùn)放單元，其中，第一運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第四電阻與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第三電阻與電壓采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第五電阻與電流采樣單元的輸出端相連接，其輸出端通過(guò)第一二極管連接至D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第九電阻與其第一輸入端相連接；第二運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第七電阻和反相器與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第六電阻與電壓采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第八電阻與電流采樣單元相連接，其輸出端通過(guò)第二二極管連接至D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第十電阻與其第一輸入端相連接。
當(dāng)電壓源輸出電流I。> ILset時(shí)，第一二極管導(dǎo)通，當(dāng)I。<-|l&t|時(shí)，第二二極管導(dǎo)通，從而使輸出電流滿(mǎn)足-1I^tI <ι0< IIktI，將輸出電流限定在預(yù)設(shè)的限流范圍內(nèi)。至此，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的功能。
至此，本發(fā)明數(shù)控直流電壓源介紹完畢。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，控制模塊為PC機(jī)，轉(zhuǎn)發(fā)模塊為FPGA芯片；或控制模塊包括:PC機(jī)和FPGA芯片的邏輯控制部分，轉(zhuǎn)發(fā)模塊為FPGA芯片的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)部分。以下用一具體的場(chǎng)景來(lái)對(duì)本發(fā)明數(shù)控直流電壓源進(jìn)行說(shuō)明。
若電壓源預(yù)設(shè)輸出電壓值Vfeet e (V3，VJ，預(yù)設(shè)輸出限流值ILset e (I3，I4]，則FPGA使電壓采樣單元中開(kāi)關(guān)G4閉合，使電流檔位選擇模塊中開(kāi)關(guān)K4閉合。
如圖3所示，PC機(jī)將(-VfeetXq4)根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第一數(shù)字信號(hào)vinl，并將Vinl送給FPGA，F(xiàn)PGA控制D/A轉(zhuǎn)換模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換成模擬電壓VIS。VIS通過(guò)第一電阻R1送至功率運(yùn)放的第一輸入端,輸出電壓米樣信號(hào)(Vt)Xq4)通過(guò)第二電阻R2送至功率運(yùn)放的第一輸入端，功率運(yùn)放的第二輸入端接地，其中R1 = R2,故有
-VfertXqfVtjXq4 = 0，即Vtj = Vfert，從而使輸出電壓恒定為預(yù)設(shè)的輸出電壓。至此，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控直流電壓源的功能。
PC機(jī)將(-1ktXR4Xp)根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第二數(shù)字信號(hào)Vin2,并將Vin2送給FPGA，F(xiàn)PGA控制D/A轉(zhuǎn)換模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)Vin2轉(zhuǎn)換成模擬限流值VIL0假設(shè)二極管D” D2的導(dǎo)通壓降分別為VD1, Vd2,又有R3 = R4 = R5 = R6 = R7 = R8 =R9 = R10,由圖 3 可得:(V0-V01) X P- (V0Xq4) -VIL-Vdi < VIS < (V0-V01) X p- (V0Xq4) +VIL+VD2,又 VIS = -V0setXq4 = -￥0父94，故-~比+￥1)2) < (V0-V01) Xp < VIL+VD1，又 V0-Vra = 10XR4,Ijvot xRAx p + Vni T Ijvot X RAx ρ + FniVIL = ILsetXR4Xp，故- p-—<Ι0< -1。若忽略二極管的導(dǎo)通壓R4X PR4X P降，則有-1^t < I。< I^t，即將輸出電流限定在預(yù)設(shè)的限流范圍內(nèi)。
當(dāng)進(jìn)行電壓測(cè)量時(shí)，測(cè)壓/測(cè)流模塊第二端口與第三端口相連接，將輸出電壓采樣信號(hào)(VtjXq4)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將電壓采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送至控制模塊，控制模塊 根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，若此浮點(diǎn)數(shù)為y4，控制模塊計(jì)算電源輸出電壓G =，，并將其顯示在PC機(jī)上。由于預(yù)設(shè)輸出電壓Vttet e (V3,tIAV4],故電壓測(cè)量是準(zhǔn)確的。由于采用了電壓采樣單元，可以很大的電壓范圍(如幾毫伏到幾十伏特)內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確測(cè)量。
當(dāng)進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)，測(cè)壓/測(cè)流模塊第一端口與第三端口相連接，將輸出電流采樣信號(hào)((VtrVw)Xp)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將電流采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，若此浮點(diǎn)數(shù)為S4，又開(kāi)關(guān)K4閉合有ItjXR4 = V<rVM，其中Itj為輸出電流值，控制模塊可算出&若10 e (I3, I4]，則測(cè)量結(jié)束，并將其顯示在PC機(jī)上。若I。彡I3，則FPGA將從V" Kn中選擇小一級(jí)的電流檔位進(jìn)行測(cè)量，即K3閉合，有ItjXR3 = V0-V01, A/D轉(zhuǎn)換模塊重新測(cè)量出輸出電流采樣信號(hào)((V0-V01)Xp)的值，若結(jié)果為S3，可算出。若I。e (12，13]，則測(cè)量到此為止，控制模塊將測(cè)量結(jié)果顯示在PC機(jī)上，并使電流檔位選擇模塊中的開(kāi)關(guān)K3斷開(kāi)，K4閉合。若10< I2，則FPGA繼續(xù)從IV..Kn中選擇更小一級(jí)的電流檔位來(lái)進(jìn)行測(cè)量，直到最小電流檔位區(qū)間為止。由于采用了電流檔位選擇電路，可以很大的電流范圍(如幾微安到幾安培)內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確測(cè)量。
在電壓源工作時(shí)，若控制模塊不斷使A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電壓和電流的測(cè)量，則可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓源的輸出電壓和輸出電流。
本數(shù)控直流電壓源采用由D/A提供基準(zhǔn)電壓再通過(guò)功率運(yùn)放模塊輸出，從輸出電壓采樣反饋至功率運(yùn)放模塊的輸入端進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電壓可達(dá)幾十伏，精度可達(dá)1%。，無(wú)需輸出極性換向電路就能實(shí)現(xiàn)雙向電壓輸出。此外，本電源還具有過(guò)流保護(hù)功能和對(duì)輸出電壓和電流的測(cè)量顯示功能。
第二部分:數(shù)控直流電流源
圖4是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電流源連接關(guān)系的示意圖。如圖4所示，PC機(jī)和FPGA通過(guò)PC機(jī)后的通訊端口相連，PC機(jī)上的控制軟件將電流源的預(yù)設(shè)參數(shù)經(jīng)過(guò)處理后傳給FPGA，F(xiàn)PGA將A/D轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量到的輸出電壓值或電流值傳給PC機(jī)。FPGA和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流檔位選擇模塊、采樣模塊、測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制和數(shù)據(jù)交互。D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA送來(lái)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出到功率運(yùn)放模塊和過(guò)壓保護(hù)模塊。電流檔位選擇模塊實(shí)現(xiàn)輸出電流的檔位選擇。采樣模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和輸出電流的采樣，并將輸出電流采樣信號(hào)送給功率運(yùn)放模塊實(shí)現(xiàn)恒定的電流輸出；將輸出電壓和輸出電流米樣信號(hào)送給過(guò)壓保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)輸出的限壓；將輸出電壓和輸出電流采樣信 號(hào)送給測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊將輸出電壓或輸出電流的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)輸出電壓或輸出電流的測(cè)量。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電流源的電路示意圖。電流檔位選擇模塊中IV..Kn分別對(duì)應(yīng)不同的電流檔，每檔的電流范圍可由PC上的控制軟件靈活設(shè)定。假設(shè)K1對(duì)應(yīng)的電流范圍為[-11, IJ，K2對(duì)應(yīng)的電流范圍為[_12，-11)和(I1, I2]，Kn對(duì)應(yīng)的電流范圍為[-1n，-1n-1)和(In+ IJ，其中 O < I1 < I2 <吣< Ilri < In。在任意時(shí)刻，Kr..Kn 中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，其中η的值可根據(jù)輸出電流的范圍而定。米樣模塊中G^..Gm分別對(duì)應(yīng)不同的電壓采樣系數(shù)。假設(shè)G1對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[-V1, V1],電壓采樣系數(shù)為qi，G2對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[-V2，-V1)和(V1, V2]，電壓采樣系數(shù)為q2，Gm對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[_Vm，-Vm^1)和(Vm，VJ，電壓采樣系數(shù)為qm，其中O < V1 < V2 <吣< Vnri < Vm。在任意時(shí)刻，G^"Gm中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，其中m的值可根據(jù)輸出電壓的范圍而定。測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊中，當(dāng)電流源設(shè)置為測(cè)壓時(shí)，開(kāi)關(guān)J2的H、L導(dǎo)通，將輸出電壓的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊；當(dāng)電流源設(shè)置為測(cè)流時(shí)，開(kāi)關(guān)J2的H、M導(dǎo)通，將輸出電流的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。過(guò)壓保護(hù)電路將輸出電壓限制在預(yù)設(shè)的限壓范圍內(nèi)。
如圖5所示，本實(shí)施例數(shù)控直流電流源包括:控制模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、功率運(yùn)放模塊和采樣模塊。其中:控制模塊，用于產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)Vinl，并將第一數(shù)字信號(hào)Vinl發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)模塊；轉(zhuǎn)發(fā)模塊，與控制模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)發(fā)至D/A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換模擬電壓VIS ;功率運(yùn)放模塊，其第一輸入端與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端相連接，其輸出端連接數(shù)控直流電流源的輸出端，用于輸出第一數(shù)字信號(hào)Vinl對(duì)應(yīng)的輸出電流Ιο。
本實(shí)施例中，數(shù)控直流電流源還包括:電流檔位選擇模塊和采樣模塊?？刂颇K，包括:存儲(chǔ)單元、電路選擇單元和計(jì)算單元。其中:存儲(chǔ)單元，用于預(yù)存電流檔位選擇模塊中并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路的電流范圍區(qū)間和相應(yīng)電阻值；選擇單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)輸出電流值Ifert和存儲(chǔ)單元中的電流范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電流檔位選擇電路，并將該組電流檔位選擇電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至電流檔位選擇模塊；計(jì)算單元，用于根據(jù)輸出電壓值Ifert和被選擇的電壓采樣模塊對(duì)應(yīng)的電阻值&計(jì)算(-1fcrt X RjXP)，并根據(jù)D/A的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)Vinl，n > 1，P為采樣模塊中電流采樣單元的電流采樣系數(shù)(其中，(-10setXRjXp)是一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，而D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸入是2進(jìn)制碼，因此在將浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)值輸入至D/A轉(zhuǎn)換模塊之前，需要根據(jù)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊的要求)。電流檔位選擇模塊，位于功率運(yùn)放模塊和數(shù)控直流電流源的負(fù)載之間，包括:第二控制單元和檔位選擇單元，其中:檔位選擇單元，其控制端與第二控制單元相連接，其輸入端與功率運(yùn)放模塊的輸出端相連接，其輸出端與數(shù)控直流電流源的負(fù)載相連接；包括:并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路；第二控制單元，與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將電流檔位選擇電路的序號(hào)對(duì)應(yīng)的電流檔位選擇電路連通，將其他電流檔位選擇電路斷開(kāi)。采樣模塊包括:電流采樣單元；電流采樣單元，其兩輸入端分別與電流檔位選擇電路的輸入端和輸出端相連接，其輸出端與功率運(yùn)放模塊的第二輸入端相連接，用于將采集到的電流信號(hào)Vfi發(fā)送至功率運(yùn)放模塊的第二輸入端，其中Vfi = (V0-V01) Xp, Vtj和Vra分別為電流檔位選擇電路的輸入端和輸出端的電壓，P為電流采樣系數(shù)。
本實(shí)施例中，電流檔位選擇模塊，檔位選擇單元中每一組電流檔位選擇電路包括:采樣電阻及開(kāi)關(guān)子單元；開(kāi)關(guān)子單元與采樣電阻串聯(lián)，用于在第二控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電流檔位選擇電路的連通與斷開(kāi)。其中，對(duì)于電流檔位選擇模塊，檔位選擇單元中每一組電流檔位選擇電路1:電流范圍區(qū)間、電阻、電流采樣系數(shù)的關(guān)系為電流范圍區(qū)間乘以電阻再乘以電流采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在D/A轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。至此，以實(shí)現(xiàn)精確控制輸出電流的作用。
此外，如圖5所示，本發(fā)明數(shù)控直流電流源還包括:采樣模塊和電壓采樣單元?？刂颇K，包括:存儲(chǔ)單元、電路選擇單元和計(jì)算單元；其中:存儲(chǔ)單元，用于預(yù)存采樣模塊中m組電壓采樣模塊的電壓范圍區(qū)間及其對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)；選擇單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的輸出限壓值所在的電壓范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電壓采樣模塊，并將該電壓采樣模塊的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至 采樣模塊。采樣模塊，包括:電壓采樣單元和第一控制單元；其中:電壓采樣單元，其控制端與第一控制單元相連接，其輸入端與數(shù)控直流電流源的輸出端相連接，其輸出端與測(cè)壓/測(cè)流模塊的第二端口相連接，包括并聯(lián)的m組電壓采樣模塊；第一控制單元，與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于根據(jù)電壓采樣模塊的序號(hào)連通相應(yīng)的電壓采樣模塊，同時(shí)斷開(kāi)除該電壓采樣模塊之外的電壓采樣模塊。
本實(shí)施例中，電壓采樣單元中每一組電壓采樣模塊包括:運(yùn)算子單元，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電流源的輸出電壓％與該組電壓采樣模塊對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)的乘積運(yùn)算；及開(kāi)關(guān)子單元，與運(yùn)算子單元串聯(lián)，用于在第一控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電壓采樣模塊的連通與斷開(kāi)。對(duì)于電壓采樣單元中每一組電壓采樣模塊G1:電壓范圍區(qū)間和電壓采樣系數(shù)的關(guān)系為電壓范圍區(qū)間乘以電壓采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
此外，對(duì)于一般的數(shù)控直流電流源，還需要PC機(jī)上顯示其輸出的電壓值和輸出電流值。如圖5所示，本發(fā)明數(shù)控直流電流源還包括:測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其第一端口與所述電流采樣單元的輸出端口相連接，其第二端口與所述電壓采樣單元的輸出端口相連接，其第三端口連接至所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端口 ；在測(cè)壓模式下，將第二端口連接至第三端口，在測(cè)流模式下，將第一端口連接至第三端口。采樣模塊包括:電壓采樣單元和電流采樣單元。電壓采樣單元，其輸入端與電流源的負(fù)載相連接，其輸出端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第二端口相連接，用于將采集到的輸出電壓信號(hào)Vfv發(fā)送至測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其中，Vfv = VtjXqi，其中Vtj為電流源輸出電壓，Qi為被選擇的電壓采樣模塊對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)。電流采樣單元，其兩輸入端分別與電流檔位選擇電路的輸入端和輸出端相連接，其輸出端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第一端口相連接，用于將采集到的輸出電流信號(hào)Vfi發(fā)送至測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其中Vfi = 10XRjXp, Itj為電流源輸出電流，Rj為被選擇的電流檔位區(qū)間對(duì)應(yīng)的采樣電阻，P為電流采樣系數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第三端口相連接，在測(cè)流模式下，用于將輸出電流采樣信號(hào)Vfi由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并將該電流測(cè)量值在PC機(jī)上進(jìn)行顯示；在測(cè)壓模式下，用于將輸出電壓采樣信號(hào)Vfv由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，并將該數(shù)字電壓信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并判斷所測(cè)得的電壓值是否在選定的電壓范圍區(qū)間內(nèi)，并根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行以下步驟:如果不是，且該電壓范圍區(qū)間不是最小級(jí)的電壓范圍區(qū)間，則將小一級(jí)的電壓范圍區(qū)間的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至第一控制單元重新進(jìn)行測(cè)量，如果是或該電壓范圍區(qū)間是最小級(jí)的電壓范圍區(qū)間，則將該電壓測(cè)量值在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。在電流源工作時(shí)，若控制模塊不斷使模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電壓和電流的測(cè)量，則可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流源的輸出電壓和輸出電流。至此，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和輸出電流的測(cè)量及顯示功能。由于采用了電壓采樣單元，可以很大的電壓范圍(如幾毫伏到幾十伏特)內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確測(cè)量。同時(shí)，由于采用了電流檔位選擇電路，可以很大的電流范圍(如幾微安到幾安培)內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確測(cè)量。
進(jìn)一步的，對(duì)于本發(fā)明的數(shù)控直流電流源，還具有過(guò)壓保護(hù)的功能。圖6為本發(fā)明實(shí)施例具有過(guò)壓保護(hù)模塊的數(shù)控直流電流源的電路示意圖。如圖6所示，本發(fā)明數(shù)控直流電流源還包括:過(guò)壓保護(hù)模塊?？刂颇K中，計(jì)算單元，還用于計(jì)算(VktXqi)的值，并根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第二數(shù)字信號(hào)Vin2，再通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換模塊，其中， 為被選擇的電壓范圍區(qū)間對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)；D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于將第二數(shù)字信號(hào)Vin2轉(zhuǎn)換為模擬限壓值VIL，并從其第二輸出端輸出；過(guò)壓保護(hù)模塊，包括:第一運(yùn)放單元和第二運(yùn)放單元，其中，第一運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第四電阻與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第三電阻與電流采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第五電阻與電壓采樣單元的輸出端相連接，其輸出端通過(guò)第一二極管連接至D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第九電阻與其第一輸入端相連接；第二運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第七電阻和反相器與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第六電阻與電流采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第八電阻與電壓采樣單元相連接，其輸出端通過(guò)第二二極管連接至D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第十電阻與其第一輸入端相連接。
當(dāng)電流源輸出電壓V。> VLset時(shí)，第一二極管導(dǎo)通，當(dāng)V。<-U時(shí)，第二二極管導(dǎo)通，從而使輸出電流滿(mǎn)足-1U <v0< IU，將輸出電壓限定在預(yù)設(shè)的限壓范圍內(nèi)。至此，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)的功能。
至此，本發(fā)明數(shù)控直流電流源介紹完畢。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，控制模塊為PC機(jī)，轉(zhuǎn)發(fā)模塊為FPGA芯片；或控制模塊包括:PC機(jī)和FPGA芯片的邏輯控制部分，轉(zhuǎn)發(fā)模塊為FPGA芯片的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)部分。以下用一具體的場(chǎng)景來(lái)對(duì)本發(fā)明數(shù)控直流電流源進(jìn)行說(shuō)明。
如圖6所不，若電流源的預(yù)設(shè)輸出電流值Ift3et e (I5, I6],預(yù)設(shè)輸出限壓值VLset e (V4, V5]時(shí)，則FPGA使電流檔位選擇模塊中開(kāi)關(guān)K6閉合，使電壓采樣模塊中開(kāi)關(guān)G5閉合。
如圖6所示，PC機(jī)將(-1feetXR6Xp)根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)化為第一數(shù)字信號(hào)vinl，并將Vinl送給FPGA，F(xiàn)PGA控制D/A轉(zhuǎn)換模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換成模擬電壓VIS。VIS通過(guò)第一電阻R1送至功率運(yùn)放的第一輸入端，輸出電流米樣信號(hào)((V0-V01) Xp)通過(guò)第二電阻R2送至功率運(yùn)放的第一輸入端，功率運(yùn)放的第二輸入端接地，其中 R1 = R2，故有-1QsetXR6Xp+(Vq-Vm) Xp = O，又開(kāi)關(guān) K6 閉合有 VtrVra = 10XR6,即 10 =1set^從而使輸出電流恒定為預(yù)設(shè)的輸出電流。至此，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控直流電流源的功能。
PC機(jī)將(V^tXq5)根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第二數(shù)字信號(hào)Vin2，并將Vin 2送給FPGA，F(xiàn)PGA控制D/A轉(zhuǎn)換模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)Vin2轉(zhuǎn)換成模擬限流值VIL0假設(shè)二極管D1' D2的導(dǎo)通壓降分別為VD1、Vd2,又有R3 = R4 = R5 = R6 = R7 = R8 = R9=Rltl,由圖 6 可得=V0Xq5-(V0-V01) Xp-VIL-Vm < VIS < V0Xq5-(V0-V01) Xp+VIL+VD2，又 VIS=-10set XR6Xp = -10XR6Xp = -(V0-V01) Xp，故-(VIL+VD2) < V0Xq5 < VIL+VD1，又 VIL = Jzr Xi/ + VV X n + JzrVLset X q5，故~~— <K < ^~~-。若忽略二極管的導(dǎo)通壓降，則有-VLset < V0^5^5< VLset,即將輸出電壓限定在預(yù)設(shè)的限壓范圍內(nèi)。
當(dāng)進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)，測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊第一端口與第三端口相連接，將輸出電流采樣信號(hào)((VtrVra)Xp)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將電流采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，若此浮點(diǎn)數(shù)為S6，又開(kāi)關(guān)K6閉合有ItjXR6 = VtrVra，其中Itj為輸出電流值，控制模塊可算出/o=T^，并將其顯示在pc機(jī)上。由于預(yù)設(shè)輸出電'流Ifeet e (15，I6]，故電'流測(cè)J量是準(zhǔn)確 Pxi^e的。
當(dāng)進(jìn)行電壓測(cè)量時(shí)，測(cè)壓/測(cè)流模塊第二端口與第三端口相連接，將輸出電壓采樣信號(hào)(VtjXq5)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將電壓采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，若此浮點(diǎn)數(shù)為y5，控制模塊計(jì)算電流源輸出電壓G = f。若Vtj e (V4，V5]，則測(cè)量結(jié)束，并將其顯示在PC機(jī)上。若 %V0 ≤V4，則FPGA將從G^"Gm中選擇小一級(jí)的電壓范圍區(qū)間進(jìn)行測(cè)量，即G4閉合，A/D轉(zhuǎn)換模塊重新測(cè)量出輸出電壓采樣信號(hào)(VtjXq4)的值，若結(jié)果為y4，可算出&(V3,tIAV4]，則測(cè)量到此為止，控制模塊將測(cè)量結(jié)果顯示在PC機(jī)上，并使電壓采樣單元中的開(kāi)關(guān)G4斷開(kāi)，G5閉合。若V?！躒3,則FPGA繼續(xù)從G^"Gm中選擇小一級(jí)的電壓范圍區(qū)間進(jìn)行測(cè)量，直到最小電壓范圍區(qū)間為止。至此，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控直流電流源中對(duì)輸出電壓的準(zhǔn)確測(cè)量。
在電流源工作時(shí)，若控制模塊不斷使A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電壓和電流的測(cè)量，則可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流源的輸出電壓和輸出電流。
本數(shù)控直流電流源采用由D/A轉(zhuǎn)換模塊提供電壓再通過(guò)功率運(yùn)放模塊直接輸出，從輸出電流采樣進(jìn)行反饋控制，輸出電流可從幾微安到幾安培，精度可達(dá)1%。，并且能實(shí)現(xiàn)雙向電流輸出。此外，本電源還具有過(guò)壓保護(hù)功能和對(duì)輸出電流和輸出電壓的測(cè)量及顯示功能。
第三部分:數(shù)控直流電源
圖7是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電源連接關(guān)系的示意圖。如圖7所示，PC機(jī)和FPGA通過(guò)PC機(jī)后的通訊端口相連，PC機(jī)上的控制軟件將電源的預(yù)設(shè)參數(shù)經(jīng)過(guò)處理后傳給FPGA，F(xiàn)PGA將A/D轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量到的輸出電壓值或電流值傳給PC機(jī)。FPGA和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流檔位選擇模塊、采樣模塊、模式選擇模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制和數(shù)據(jù)交互。D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA送來(lái)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出到功率運(yùn)放模塊和過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)模塊。電流檔位選擇模塊實(shí)現(xiàn)輸出電流的檔位選擇。采樣模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和輸出電流的采樣，并將采樣結(jié)果送往模式選擇模塊。模式選擇模塊將輸出電壓的采樣信號(hào)送給功率運(yùn)放模塊，實(shí)現(xiàn)電壓源的選擇；模式選擇模塊將輸出電流的采樣信號(hào)送給功率運(yùn)放模塊，實(shí)現(xiàn)電流源的選擇；模式選擇模塊將輸出電壓和輸出電流的米樣信號(hào)送給過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)輸出的限壓或限流；模式選擇模塊將輸出電壓或輸出電流的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓或輸出電流的測(cè)量。A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸出電壓或輸出電流的采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給FPGA。功率運(yùn)放模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流檔位選擇模塊、模式選擇模塊、過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)模塊相連，將輸出電壓恒定為預(yù)設(shè)的輸出電壓或?qū)⑤敵鲭娏骱愣轭A(yù)設(shè)的輸出電流。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電源的電路示意圖。電流檔位選擇模塊中K^-Kn分別對(duì)應(yīng)不同的電流檔，每檔的電流范圍可由PC上的控制軟件靈活設(shè)定。假設(shè)K1對(duì)應(yīng)的電流范圍為[-11, I1], K2對(duì)應(yīng)的電流范圍為[_12，-11)和(I1, I2]，Kn對(duì)應(yīng)的電流范圍為[_In，-Ιη-ι)和(In+ IJ，其中 O < I1 < I2 <吣< Ilri < In。在任意時(shí)刻，Kr..Kn 中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，其中η的值可根據(jù)輸出電流的范圍而定。米樣模塊中G^..Gm分別對(duì)應(yīng)不同的電壓采樣系數(shù)。假設(shè)G1對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[-V1, V1],電壓采樣系數(shù)為qi，G2對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[-V2，-V1)和(V1, V2]，電壓采樣系數(shù)為q2，Gm對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[_Vm，-Vm^1)和(Vm，VJ，電壓采樣系數(shù)為qm，其中O < V1 < V2 <吣< Vnri < Vm。在任意時(shí)刻，G^"Gm中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，其中m的值可根據(jù)輸出電壓的范圍而定。模式選擇模塊中，當(dāng)電源工作模式設(shè)置為電壓源時(shí)，開(kāi)關(guān)J1的E、C導(dǎo)通，將輸出電壓的采樣信號(hào)送給功率運(yùn)放模塊和過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)模塊，同時(shí)F、D導(dǎo)通，將輸出電流的采樣信號(hào)送至過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)模塊；當(dāng)電源工作模式設(shè)置為電流源時(shí)，開(kāi)關(guān)J1的E、A導(dǎo)通，將輸出電流的采樣信號(hào)送給功率運(yùn)放模塊和過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)模塊，同時(shí)F、B導(dǎo)通，將輸出電壓的采樣信號(hào)送至過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)模塊；當(dāng)電源工作模式設(shè)置為測(cè)壓時(shí)，開(kāi)關(guān)J2的H、L導(dǎo)通，將輸出電壓的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊；當(dāng)電源工作模式設(shè)置為測(cè)流時(shí)，開(kāi)關(guān)J2的H、M導(dǎo)通，將輸出電流的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。
如圖8所示，本實(shí)施例數(shù)控直流電源包括:控制模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、功率運(yùn)放模塊、電流檔位選擇模塊、采樣模塊和模式選擇模塊。其中:控制模塊，用于產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)Vinl,并將第一數(shù)字信號(hào)Vinl發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)模塊。轉(zhuǎn)發(fā)模塊，與控制模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)發(fā)至D/A轉(zhuǎn)換模塊。D/A轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換為模擬電壓VIS。功率運(yùn)放模塊，其第一輸入端與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端相連接。電流檔位選擇模塊，其輸入端與功率運(yùn)放模塊相連接，其輸出端與數(shù)控直流電源的負(fù)載相連接，用于輸出第一數(shù)字信號(hào)Vinl對(duì)應(yīng)的輸出電壓\或輸出電流100采樣模塊包括電流采樣單元和電壓采樣單元，其中，電流采樣單元的兩輸入端分別與電流檔位選擇模塊的輸入端和輸出端相連接，其輸出端連接至模式選擇模塊的第一端口 ；電壓采樣單元的輸入端與電源的負(fù)載相連接，其輸出端連接至模式選擇模塊的第二端口。模式選擇模塊，其第三端口連接至功率運(yùn)放模塊的第二輸入端口，在電壓源工作模式下，將第二端口連接至第三端口，在電流源工作模式下，將第一端口連接至第三端口。
本發(fā)明還提供了具有過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)模塊的數(shù)控直流電源。過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)模塊，包括:第一運(yùn)放單元和第二運(yùn)放單元，其中:
第一運(yùn)放單兀,其第一輸入端通過(guò)第四電阻與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第三電阻與所述模式選擇模塊的第三端口相連接，其第二輸入端通過(guò)第五電阻與所述模式選擇模塊的第四端口相連接，其輸出端通過(guò)第一二極管連接至D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第九電阻與其第一輸入端相連接；
第二運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第七電阻和反相器與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第六電阻與所述模式選擇模塊的第三端口相連接，其第二輸入端通過(guò)第八電阻與所述模式選擇模塊的第四端口相連接，其輸出端通過(guò)第二二極管連接至所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第十電阻與其第一輸入端相連接。
所述模式選擇模塊，其第一端口與所述電流采樣單元的輸出端相連接，其第二端口與所述電壓采樣單元的輸出端相連接，在電壓源工作模式下，將所述第二端口連接至所述第三端口，同時(shí)將所述第一端口連接至所述第四端口 ；在電流源工作模式下，將所述第一端口連接至所述第三端口，同時(shí)將所述第二端口連接至所述第四端口。
可見(jiàn)，只要將模式轉(zhuǎn)換模塊中相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行連接，結(jié)合過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)模塊中的第一運(yùn)放單元和 第二運(yùn)放單元，就可以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)的功能。其中，具有過(guò)流保護(hù)的數(shù)控直流電壓源可參照?qǐng)D3。具有過(guò)壓保護(hù)的數(shù)控直流電流源可參照?qǐng)D6。至此，本實(shí)施例數(shù)控直流電源介紹完畢，至于本實(shí)施例數(shù)控直流電源實(shí)現(xiàn)電壓源和電流源的具體細(xì)節(jié)，可參照上述第一部分和第二部分的電壓源和電流源的實(shí)施例，此處不再重述。
此外，對(duì)于本部分的電源、第一部分的電壓源和第二部分的電流源，對(duì)于所述每一組電壓采樣電路Gi，所述電壓范圍區(qū)間和電壓采樣系數(shù)的關(guān)系為:電壓范圍區(qū)間乘以電壓采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在D/A轉(zhuǎn)換模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
例如:所選D/A轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸出電壓范圍為[_10V，10V]，所選A/D轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入電壓范圍為[-10V，10V]，電壓范圍區(qū)間[-0.9V，0.9V]對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)為10，電壓范圍區(qū)間[-9V，-0.9V]和
對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)為1，電壓范圍區(qū)間[-27V，-9V]和[9V，27V]對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)為1/3，那么電壓范圍區(qū)間乘以電壓采樣系數(shù)的范圍在A/D和D/A的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
同理，對(duì)于所述每一組電流檔位選擇電路&:所述電流范圍區(qū)間、所述電阻、電流采樣系數(shù)的關(guān)系為電流范圍區(qū)間乘以電阻再乘以電流采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在D/A轉(zhuǎn)換模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
例如:所選D/A轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸出電壓范圍為[_10V，10V]，所選A/D轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入電壓范圍為[-10V，10V]，電流采樣系數(shù)P等于10，電流范圍區(qū)間[-9UA，9uA]對(duì)應(yīng)的電阻為100K Ω，電流范圍區(qū)間[_90uA，_9uA]和[9uA，90uA]對(duì)應(yīng)的電阻為10ΚΩ，電流范圍區(qū)間[-900uA，-90uA]和[90uA，900uA]對(duì)應(yīng)的電阻為1ΚΩ，電流范圍區(qū)間[-9mA,-900uA]和[900uA，9mA]對(duì)應(yīng)的電阻為 100 Ω，電流范圍區(qū)間[_90mA，-9mA]和[9mA，90mA]對(duì)應(yīng)的電阻為10 Ω，電流范圍區(qū)間[_900mA，-90mA]和[90mA，900mA]對(duì)應(yīng)的電阻為I Ω，那么電流范圍乘以相應(yīng)電阻再乘以電流采樣系數(shù)為[-9V，-0.9V]和
，在A/D和D/A的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
本數(shù)控直流電源采用由D/A轉(zhuǎn)換模塊提供基準(zhǔn)電壓再通過(guò)功率運(yùn)放模塊輸出，從輸出采樣反饋至功率運(yùn)放模塊的輸入端進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電壓可從幾毫伏到幾十伏，電流可從幾微安到幾安培，精度可達(dá)1%。，無(wú)需輸出極性換向電路就能實(shí)現(xiàn)雙向電壓輸出和雙向電流輸出。此外，本電源還具有過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)功能和對(duì)輸出電壓和電流的測(cè)量顯示功倉(cāng)泛。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做 的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控直流電壓源，其特征在于，包括:控制模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和功率運(yùn)放模塊，其中: 控制模塊，用于產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)Vinl，并將所述第一數(shù)字信號(hào)Vinl發(fā)送至所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊； 轉(zhuǎn)發(fā)模塊，與所述控制模塊相連接，用于將所述第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)發(fā)至D/A轉(zhuǎn)換模塊； D/A轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將所述第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換為模擬電壓VIS ； 功率運(yùn)放模塊，其第一輸入端與所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端相連接，其輸出端連接所述數(shù)控直流電壓源的輸出端，用于輸出所述第一數(shù)字信號(hào)Vinl對(duì)應(yīng)的輸出電壓\。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，還包括:采樣模塊，該采樣模塊通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊與所述控制模塊相連接，其中: 所述控制模塊，包括:存儲(chǔ)單元、電路選擇單元和計(jì)算單元；其中: 所述存儲(chǔ)單元，用于預(yù) 存所述采樣模塊中電壓采樣單元的m組電壓采樣電路的電壓范圍區(qū)間及其對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)，所述m > I ； 所述選擇單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的輸出電壓值Vfeet所在的電壓范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電壓采樣電路，并將該電壓采樣電路的序號(hào)通過(guò)所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至所述采樣模塊； 所述計(jì)算單元，用于計(jì)算(-VfertXqi)的值，其中Qi為被選擇的電壓采樣電路對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為第一數(shù)字信號(hào)Vinl后通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換模塊，所述I ^ i ^ m ； 所述采樣模塊，包括:電壓采樣單元和第一控制單元；其中: 所述電壓采樣單元，其控制端與所述第一控制單元相連接，其輸入端與所述數(shù)控直流電壓源的負(fù)載相連接，其輸出端與所述功率運(yùn)放模塊的第二輸入端相連接，包括:并聯(lián)的m組電壓采樣電路； 所述第一控制單元，與所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于根據(jù)所述電壓采樣電路的序號(hào)連通相應(yīng)的電壓采樣電路，同時(shí)斷開(kāi)除該電壓采樣電路之外的電壓采樣電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，所述采樣模塊，所述電壓采樣單元中每一組電壓采樣電路Gi包括: 運(yùn)算子單元，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電壓源的輸出電壓％與該組電壓采樣電路對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)Qi的乘積運(yùn)算；及 開(kāi)關(guān)子單元，與所述運(yùn)算子單元串聯(lián)，用于在所述第一控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電壓采樣電路的連通與斷開(kāi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，對(duì)于所述每一組電壓采樣電路Gi，所述電壓范圍區(qū)間和電壓采樣系數(shù)的關(guān)系為:電壓范圍區(qū)間乘以電壓采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在D/A轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，還包括:電流檔位選擇模塊，位于所述功率運(yùn)放模塊和所述數(shù)控直流電壓源的負(fù)載之間，其中: 所述控制模塊中: 所述存儲(chǔ)單元，還用于預(yù)存所述電流檔位選擇模塊中并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路的電流范圍區(qū)間； 所述選擇單元，還用于根據(jù)預(yù)設(shè)的輸出限流值Ikt和所述存儲(chǔ)單元中的電流范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電流檔位選擇電路，并將該組電流檔位選擇電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至所述電流檔位選擇模塊；所述電流檔位選擇模塊，包括:第二控制單元和檔位選擇單元，其中: 所述檔位選擇單元，其控制端與所述第二控制單元相連接，其輸入端與所述功率運(yùn)放模塊的輸出端相連接，其輸出端與數(shù)控直流電壓源的負(fù)載相連接，包括:并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路，所述n ^ I ; 第二控制單元，與所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將電流檔位選擇電路的序號(hào)對(duì)應(yīng)的電流檔位選擇電路連通，將其他電流檔位選擇電路斷開(kāi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，所述采樣模塊還包括:電流采樣單元，其兩輸入端分別與所述電流檔位選擇模塊的輸入端和輸出端相連接，其輸出端與所述測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第一端口相連接，用于采集輸出電流信號(hào)Vfi，其中Vfi =(V0-V01) Xp, I和Vm分別為電流檔位選擇模塊的輸入端和輸出端的電壓，P為電流采樣系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，所述每一組電流檔位選擇電路Kj包括: 采樣電阻；及 開(kāi)關(guān)子單元，與所述采樣電阻串聯(lián)，用于在所述第二控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電流檔位選擇電路的連通與斷開(kāi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，對(duì)于所述每一組電流檔位選擇電路Kj: 所述電流范圍區(qū)間、所述電阻、電流采樣系數(shù)的關(guān)系為電流范圍區(qū)間乘以電阻再乘以電流采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，還包括:A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端口與所述電流采樣單元的輸出端口相連接； 所述A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將此數(shù)字信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至所述控制模塊； 所述控制模塊，用于:根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將從A/D轉(zhuǎn)換模塊返回的數(shù)字電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并判斷測(cè)量值是否在選定的電流區(qū)間內(nèi)，且根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行以下步驟:如果不是，且該電流區(qū)間不是最小級(jí)的電流檔位區(qū)間，則將小一級(jí)的電流檔位選擇電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至第二控制單元重新進(jìn)行測(cè)量，如果是或該電流區(qū)間是最小級(jí)的電流檔位區(qū)間，則將該測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，還包括:A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端口與所述電壓采樣單元的輸出端口相連接； 所述A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將此數(shù)字信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至所述控制模塊； 所述控制模塊，用于根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將從A/D轉(zhuǎn)換模塊返回的數(shù)字電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并將該測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于， 對(duì)于所述每一組電壓采樣電路Gi，所述電壓范圍區(qū)間和電壓采樣系數(shù)的關(guān)系為:電壓范圍區(qū)間乘以電壓采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)； 對(duì)于所述每一組電流檔位選擇電路I，所述電流范圍區(qū)間、電阻和電流采樣系數(shù)的關(guān)系為電流范圍區(qū)間乘以電阻再乘以電流采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，還包括:過(guò)流保護(hù)模塊，與采樣模塊、功率運(yùn)放模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊相連接； 所述控制模塊中，所述計(jì)算單元，還用于計(jì)算(IktXI^Xp)的值，并根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第二數(shù)字信號(hào)Vin2，再通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換模塊，其中，&為被選擇的電流檔位選擇電路的電阻值，P為電流采樣系數(shù)； 所述D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于將所述(IktXI^Xp)對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬限流電壓VIL，并從其第二輸出端輸出； 所述過(guò)流保護(hù)模塊，包括:第一運(yùn)放單元和第二運(yùn)放單元，其中， 第一運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第四電阻與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第三電阻與所述電壓采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第五電阻與電流采樣單元的輸出端相連接，其輸出端通過(guò)第一二極管連接至所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第九電阻與其第一輸入端相連接； 第二運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第七電阻和反相器與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第六電阻與所述電壓采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第八電阻與電流采樣單元相連接，其輸出端通過(guò)第二二極管連接至所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第十電阻與其第一輸入端相連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至10、12中任一項(xiàng)所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于， 所述控制模塊為PC機(jī)，所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊為FPGA芯片；或 所述控制模塊包括:PC機(jī)和FPGA芯片的邏輯控制部分，所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊為所述FPGA芯片的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)部分 。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)控直流電壓源。本數(shù)控直流電壓源采用由D/A提供基準(zhǔn)電壓再通過(guò)功率運(yùn)放輸出，從輸出電壓采樣反饋至功率運(yùn)放的輸入端進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電壓可達(dá)幾十伏，精度可達(dá)1‰，無(wú)需輸出極性換向電路就能實(shí)現(xiàn)雙向電壓輸出。此外，本數(shù)控直流電壓源還具有過(guò)流保護(hù)功能和對(duì)輸出電壓和電流的測(cè)量顯示功能。
文檔編號(hào)G05F1/573GK103218004SQ20121001843
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者徐春雨, 楊海鋼, 胡凱, 曾憲理, 王德利 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所