幾種典型的程序控制電壓源及其電磁兼容性設計

摘要：介紹了幾種典型的程序控制電壓源及其電磁兼容性設計。

關鍵詞：轉換器；電壓源；電磁兼容

Voltage Source for Program Control and Its Design of Electromagnetic Compatibility

LIN Zhan-jiang

Abstract:The typical voltage source for program control and its design of electromagnetic compatibility are introduced.

Keywords:Converter;Voltage source;Electromagnetic compatibility   

1   引言

    在一些電子儀器設備中，經常需要性能優(yōu)良的可調整的電壓源或電流源，以往大多采用運算放大器來完成?，F(xiàn)在，隨著集成A/D，D/A轉換器精度的提高，已廣泛地采用A/D，D/A轉換器構成精密的程序控制的電壓源或電流源。至于選擇何種類型的轉換器，輸出量是電壓還是電流，應根據(jù)實際情況決定。另外，轉換器所處的系統(tǒng)充滿了各種形式的噪聲，有噪聲必然產生測量誤差，有誤差必然降低測量精度。電磁干擾是影響測量精度的主要因素，因此，在設計含有轉換器的系統(tǒng)時，要采取行之有效的措施加以消除。

2   典型的程序控制電壓源

    以下用D/A轉換器為例闡述程序控制電壓源的工作原理。D/A轉換器的輸出量為電壓輸出時，其本身就是一個較好的精密程序控制電壓源。其中被控電壓的精度依賴于D/A轉換器的相對精度。圖1是一個基本程控電壓源電路。

圖1   數(shù) 控 可 編 程 電 壓 源

    在這里需要指出，輸出驅動能力夠用時，放大器A2可以不用。根據(jù)D/A轉換器的基本原理，該電路應滿足如下傳輸函數(shù)：

    UO=（UR/RR）RFai·2－i    （1）

式中：ai——第i位的輸入數(shù)字量，i=1,2,…，n，ai的值為“1”或“0”；

      UR——參考電壓；

      RR——參考輸入電阻；

      RF——放大器的反饋電阻。

    對于偏移二進制碼，其傳輸函數(shù)為：

    UO=（UR/RR）RF（ai·2－i－1/2)   （2）

    從式（1）、（2）可知，輸出電壓是參考電流IR=VR/Rr、反饋電阻Rf和輸入數(shù)字量的函數(shù)。改變參考電流IR和反饋電阻Rf，即改變最大輸出幅度，改變輸入數(shù)字代碼即可控制輸出電壓的數(shù)值。也就是編程是通過改變D/A轉換器的輸入數(shù)字量來實現(xiàn)的。

    如果所需要的一組電源各路輸出都具有整數(shù)倍或乘冪關系時，可以直接用n個乘法型的D/A轉換器構成程控系列電源，如圖2所示。圖中各路電源進行迭代相乘，其關系為：

    U1=－URD

圖2   數(shù)控系列電源

    U2=－U1D=URD2

         ……

    Un=－Un－1D=(－1)nURDn

式中：D——輸入數(shù)字量。  
 圖3是一種實用的程序控制電壓源，它應用在計算機輔助測試設備中的接口電路里。

圖3   程序控制電壓源

    該電路能輸出0～20V電壓，共有1024個步長的程控電壓源，每個步長20mV，穩(wěn)壓二極管作參考基準電壓，晶體管V1-3作電壓和電流放大，數(shù)字輸入量源自計算機的輸出總線。

整個電路調節(jié)程序是：先將數(shù)字輸入置全“1”調節(jié)W，使VO=20V，然后將數(shù)字輸入置全“0”，調節(jié)運算放大器，使VO=0。

3   程控電壓源的電磁兼容性設計

    選擇合適的A/D、D/A轉換器，只是設計工作的起點。對于任何轉換器所處的具體系統(tǒng)往往需要綜合考慮，尤其是在系統(tǒng)中存在電源電壓波動和其它噪聲時，必須確保轉換器的正常運行。這是因為在電路中，噪聲很容易淹沒一位或多位數(shù)字信號，這在高速高精度的系統(tǒng)中危害特別巨大。因此，有效的合理的電磁兼容性設計是必不可少的。

    在電磁兼容性設計時要遵循以下準則：

    1）切斷電磁輻射進入轉換器內部產生互相干擾的通道，減少空間耦合。

    2）防止外部設備產生的干擾，各種脈沖調制信號（雷達、無線電波、電視信號），電磁場的變化等因素的影響，必須對電磁效應敏感的器件和部件采取屏蔽保護，比如：外殼屏蔽，電纜濾波和內部的電纜屏蔽。

    3）合理設計電路，正確地選擇器件和電路，準確地計算器件和電路的各種參數(shù)，制定識別和隔離臨界電路的措施以及采用抑制干擾的技術方案，盡量選擇高的工作信號電平，符合器件和電路的實際載荷能力，注意“接口”設計。

    4）采用高穩(wěn)定度的穩(wěn)壓電源，提高電源電壓靈敏度，減少因電源波動所引起的線性誤差、增益誤差和調整誤差等，確保精度的穩(wěn)定可靠。

    5）正確接地與電路布局，考慮到不同頻率段干擾的特點和電路的種類接地點可選擇：

    ——浮動接地；

    ——一點接地；

    ——多點接地。

    合理的電路布局應該是：

    ——正確布置元器件的位置和方向；

    ——不同用途，不同電平的連接線，如輸入線與輸出線，弱電線與強電線要遠離，更不能平行，高頻線要盡量短，傳輸線要加屏蔽，接地線要短而粗。

    ——對于一個復雜的工作系統(tǒng)（既包括不同頻率的工作電路，也包括微電、弱電和強電的不同子系統(tǒng)），要合理布局。在EMC設備中，對不同電路的地線應分小信號、大信號，及繼電和功率電路分別設置，連同機殼的地線應分三套或四套接地。

    總之，電磁兼容性設計是多種多樣的，有一點必須明確，那就是要有針對性，要行之有效。

4   結語

    A/D、D/A轉換器既處在自身所在系統(tǒng)內電子設備所產生的電磁環(huán)境中，又處在系統(tǒng)之外自然界和人為產生的電磁輻射環(huán)境之中，因此，電磁環(huán)境對轉換器的性能產生潛在的不利影響，容易造成其性能劣化，甚至功能喪失，這就要求設計人員不但要高度重視電磁兼容性問題，而且還要采取有效的措施加以消除。