王 剛， 蘭 江， 陳 樂， 李正坤， 王 農(nóng)

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

3.中國計量科學(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.中國計量學(xué)院，浙江杭州 310018； 2.清華大學(xué)，北京 100084；

3.中國計量科學(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，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)計方案

為得到0～10 V連續(xù)可調(diào)電壓，設(shè)計的系統(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

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

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)來實現(xiàn)，其優(yōu)點是電阻穩(wěn)定性變化不會導(dǎo)致其在整個網(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

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。實驗證明只有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。

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，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)算放大器時應(yīng)重點考慮運(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

為了給整個系統(tǒng)提供一個良好的供電環(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，采取了計算機(jī)LABVIEW程序控制Agilent3458A型8位半數(shù)字電壓表自動采集的方法記數(shù)，測量結(jié)果由計算機(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)計指標(biāo)的要求。

在后續(xù)的研究中，擬設(shè)計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］.計量學(xué)報，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］.計量學(xué)報，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［J］.清華大學(xué)學(xué)報，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，中國計量學(xué)院研究生，從事精密電磁測量研究。wywanggang163＠163.com