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一種精密數字電源.pdf

摘要
申請專利號:

CN200910238517.3

申請日:

2009.11.20

公開號:

CN102075084B

公開日:

2015.01.14

當前法律狀態:

有效性:

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02M 3/02申請日:20091120|||公開
IPC分類號: H02M3/02; H02M1/10 主分類號: H02M3/02
申請人: 北京普源精電科技有限公司
發明人: 王悅; 王鐵軍; 李維森
地址: 102206 北京市昌平區沙河鎮踩河村156號
優先權:
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN200910238517.3

授權公告號:

102075084B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.14|||2012.11.07|||2011.05.25

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供了一種精密數字電源,該電源由數字控制部分、數字隔離電路和模擬輸出控制部分構成;該數字控制部分和模擬輸出控制部分分別采用第一控制器和第二控制器兩個控制器進行獨立控制;所述第一控制器和第二控制器通過所述數字隔離電路實現數據交互。該精密數字電源通過采用這種主從式處理器架構將電源電路中的數字部分和模擬部分相分離,并在數字、模擬部分之間設置隔離電路,既滿足電源對數字和模擬部分進行電路隔離的要求,又滿足外圍接口對數據流處理能力的要求,提供了一種數據處理能力強且具有良好抗干擾性的精密數字電源。

權利要求書

1: 一種精密數字電源, 其特征在于 : 該精密數字電源包括數字控制部分、 數字隔離電 路和模擬輸出控制部分 ; 所述數字控制部分包括第一控制器、 外圍接口、 鍵盤控制電路和屏幕顯示電路 ; 所述第 一控制器為該數字控制部分的核心控制部件, 用以對整個數字控制部分中的各個部件進行 控制 ; 所述外圍接口、 鍵盤控制電路和屏幕顯示電路分別與該第一控制器相連接 ; 所述模擬輸出控制部分包括第二控制器、 DAC 參考電壓輸出電路、 ADC 檢測電路和模擬 輸出電路 ; 所述第二控制器為該模擬輸出控制部分的核心控制部件, 用以對整個模擬輸出 控制部分中的各個部件進行控制 ; 該第二控制器一路通過所述 DAC 參考電壓輸出電路與模 擬輸出電路相連 ; 該第二控制器另一路通過所述 ADC 檢測電路與模擬輸出電路相連 ; 所述 模擬輸出電路還通過一路直接與該第二控制器相連 ; 所述第一控制器和第二控制器通過所述數字隔離電路實現數據交互。
2: 如權利要求 1 所述的精密數字電源, 其特征在于 : 所述模擬輸出電路具有至少兩路 輸出通道 ; 在所述 DAC 參考電壓輸出電路與模擬輸出電路之間串聯有 DAC 選擇開關電路 ; 在所述 ADC 檢測電路與模擬輸出電路之間串聯有 ADC 選擇開關電路。
3: 如權利要求 2 所述的精密數字電源, 其特征在于 : 在所述模擬輸出電路中的至少一 路輸出通道的輸入前端還串聯有一個通道隔離電路, 用以實現該通道與其他輸出通道間的 電路隔離。
4: 如權利要求 3 所述的精密數字電源, 其特征在于 : 所述通道隔離電路為由數字光耦 和線性光耦所組成的隔離電路。
5: 如權利要求 2 或 3 所述的精密數字電源, 其特征在于 : 在所述 DAC 選擇開關電路與 模擬輸出電路之間還設有緩沖器電路。
6: 如權利要求 1 所述的精密數字電源, 其特征在于 : 所述第二控制器采用的是 FPGA 處 理器。
7: 如權利要求 1 所述的精密數字電源, 其特征在于 : 所述數字隔離器采用的是 ADI 的 ADum1301 數字隔離器。
8: 如權利要求 1 所述的精密數字電源, 其特征在于 : 所述數字隔離器采用兩端獨立供 電的方式對其進行供電。
9: 如權利要求 1 所述的精密數字電源, 其特征在于 : 所述第一控制器采用 DSP 處理器 或 MCU 處理器。

說明書


一種精密數字電源

    【技術領域】
     本發明涉及一種精密數字電源, 屬于電源設備技術領域。背景技術 精密數字電源是一種直流電源, 通常用于科學實驗和精密儀器的調試。該電源設 備穩定度高, 噪聲小, 單位時間內漂移小, 是一種精密的電源設備。
     現有精密數字電源的電路結構通常如圖 4 所示, 其包括 MCU 控制電路、 DAC 參考電 壓輸出電路、 模擬輸出電路, ADC 檢測電路、 MCU 控制電路。其中, MCU 控制電路一般還連接 有鍵盤控制電路和屏幕顯示電路。用戶通過鍵盤控制電路、 屏幕顯示電路設定電源所要輸 出的電壓電流。MCU 控制電路處理鍵盤控制電路所提交的數據, 控制 DAC 參考電壓輸出電 路, 為模擬輸出電路提供相應的參考控制電壓。ADC 檢測電路將模擬輸出電路所輸出的電 壓、 電流等信息進行模數轉換處理后送給 MCU 控制電路, MCU 控制電路將其數據進行相應的 處理后送給屏幕顯示電路顯示。
     除了上述基本結構外, 精密數字電源為了建立與外部設備的通信, 實現對電源設 備的遠程編程控制或監測。MCU 控制電路往往還會連接有通信接口控制電路。為了避免來 自外部設備或者工頻的干擾, 通常在 MCU 控制電路和通信接口控制電路之間往往還串聯有 一個數字隔離電路。這種數字隔離電路通常是由建立在 MCU 控制電路和通信接口控制電路 之間的電磁耦合器件構成的。眾所周知, 這種數字隔離電路僅適用于總線數目少的串行通 信方式。并且, 由于這種數字隔離電路的通信速度較慢, 往往會影響數據吞吐能力。然而與 之相矛盾的是, 隨著精密數字電源技術的不斷進步, 其所需要的接口數量也隨之增加。 如在 具有較多接口的情況下, 采用上述隔離方法進行隔離會造成硬件資源上的極大浪費。這一 問題極大的限制了精密數字電源的發展。
     發明內容
     本發明的主要目的在于解決現有技術中存在的問題, 提供一種精密數字電源。
     本發明的發明目的是通過下述技術方案予以實現的 :
     一種精密數字電源, 其特征在于 : 該精密數字電源由數字控制部分、 數字隔離電路 和模擬輸出控制部分構成 ;
     所述數字控制部分包括第一控制器、 外圍接口、 鍵盤控制電路和屏幕顯示電路 ; 所 述第一控制器為該數字控制部分的核心控制部件, 用以對整個數字控制部分中的各個部件 進行控制 ; 所述外圍接口、 鍵盤控制電路和屏幕顯示電路分別與該第一控制器相連接 ;
     所述模擬輸出控制部分包括第二控制器、 DAC 參考電壓輸出電路、 ADC 檢測電路和 模擬輸出電路 ; 所述第二控制器為該模擬輸出控制部分的核心控制部件, 用以對整個模擬 輸出控制部分中的各個部件進行控制 ; 該第二控制器一路通過所述 DAC 參考電壓輸出電路 與模擬輸出電路相連 ; 該第二控制器另一路通過所述 ADC 檢測電路 115 與模擬輸出電路相 連; 所述模擬輸出電路還通過一路直接與該第二控制器相連 ;所述第一控制器和第二控制器通過所述數字隔離電路實現數據交互。
     所述模擬輸出電路具有至少兩路輸出通道 ; 在所述 DAC 參考電壓輸出電路與模擬 輸出電路之間串聯有 DAC 選擇開關電路 ; 在所述 ADC 檢測電路與模擬輸出電路之間串聯有 ADC 選擇開關電路。
     在所述模擬輸出電路中的至少一路輸出通道的輸入前端還串聯有一個通道隔離 電路, 用以實現該通道與其他輸出通道間的電路隔離。
     所述通道隔離電路為由數字光耦和線性光耦所組成的隔離電路。
     在所述 DAC 選擇開關電路與模擬輸出電路之間還設有緩沖器電路。
     所述第二控制器采用的是 FPGA 處理器。
     所述數字隔離器采用的是 ADI 的 ADum1301 數字隔離器。
     所述數字隔離器采用兩端獨立供電的方式對其進行供電。
     所述第一控制器采用 DSP 處理器或 MCU 處理器。
     本發明的有益效果是 : 該精密數字電源通過主從式處理器架構將電源電路中的數 字部分和模擬部分相分離, 并在數字、 模擬部分之間設置隔離電路, 既滿足電源對數字和模 擬部分進行電路隔離的要求, 又滿足外圍接口對數據流處理能力的要求, 提供了一種數據 處理能力強且具有良好抗干擾性的精密數字電源。 附圖說明
     圖 1 為精密數字電源的電路結構圖 ; 圖 2 為精密數字電源第二實施例電路圖 ; 圖 3 為精密數字電源第三實施例電路圖 ; 圖 4 為現有精密數字電源的電路示意圖。具體實施方式
     下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。
     如前所述, 本發明主要的設計思想是采用主從式處理器架構將電源電路中的數字 部分和模擬部分相分離, 并通過隔離電路進行隔離, 從而提高電源系統整體抗干擾性和安 全性。
     圖 1 為本發明所設計精密數字電源的電路結構圖。如圖所示, 該精密數字電源由 數字控制部分 119、 數字隔離電路 113 和模擬輸出控制部分 120 構成。
     所述數字控制部分 119 包括第一控制器 110、 外圍接口 109、 鍵盤控制電路 111 和 屏幕顯示電路 112。其中, 第一控制器 110 為該數字控制部分 119 的核心控制部件, 用以對 整個數字控制部分 119 中的各個部件進行控制。可以用來作為此處第一控制器 110 的處理 器形式有很多, 如常見的 DSP 處理器、 MCU 處理器等, 均可用來作為該電路中的第一控制器。 所述外圍接口 109、 鍵盤控制電路 111 和屏幕顯示電路 112 分別與該第一控制器 110 相連 接。所述外圍接口 109 用以連接上位機或網絡, 使用戶可以通過發命令等方式來遠程控制 和監控電源。該外圍接口 109 可以包括 RS232、 GPIB、 USB、 LAN 等接口形式。所述鍵盤控制 電路 111 是人機交互最直接最常用的方式, 用戶可通過鍵盤控制電源的輸出以及進行其它 功能的設置。所述屏幕顯示電路 112 用以監控電源的參數和狀態, 包括設置參數、 輸出參數、 輸出狀態等等。
     所述模擬輸出控制部分 120 包括第二控制器 114、 DAC 參考電壓輸出電路 116、 ADC 檢測電路 115 和模擬輸出電路 117。其中, 第二控制器 114 為該模擬輸出控制部分 120 的 核心控制部件, 用以對整個模擬輸出控制部分 120 中的各個部件進行控制。該第二控制器 114 一路通過所述 DAC 參考電壓輸出電路 116 將第二控制器 114 發出的數字信號轉換為模 擬輸出電路 117 處理的模擬信號, 并由模擬輸出電路 117 進行輸出。該第二控制器 114 另 一路則通過 ADC 檢測電路 115 將模擬輸出電路 117 實際輸出的電壓、 電流等模擬信號轉換 為數字信號, 并反饋回第二控制器 114。另外, 所述模擬輸出電路 117 還通過一路直接將其 過壓、 過流保護信號發送給第二控制器 114。
     所述第一控制器 110 和第二控制器 114 通過所述數字隔離電路 113 實現數據交 互。
     上述結構的精密數字電源將現有精密數字電源中由單個處理器完成的功能分作 兩個處理器來完成。由第一控制器 110 負責數字控制部分 119 方面的信號處理, 由第二控 制器 114 負責模擬輸出控制部分 120 方面的信號處理。這樣, 可以將對需要高速數據處理 的接口數據流的處理, 在數字控制部分 119 即可完成。而數字控制部分 119 與模擬輸出控 制部分 120 之間所需的數據傳輸量就降到很小, 通過一般的串行通信方式即可實現。這樣 在第一控制器 110 和第二控制器 114 之間設置數字隔離電路 113, 就既可以滿足電源對數字 和模擬部分進行電路隔離的要求, 又可以滿足外圍接口對數據流處理能力的要求。 可見, 通 過上述本發明所提出的電源結構的改造, 可以有效的解決現有技術中所存在的問題, 提供 一種數據處理能力強且具有良好抗干擾性的精密數字電源。
     應當指出, 在本實施例中所述第二控制器 114 采用的是 FPGA 處理器。這主要是因 為 FPGA 處理器接口豐富, 外圍電路簡單。并且, FPGA 處理器具有優秀的擴展能力。用戶可 以在不改變硬件電路的情況下, 通過軟件對 FPGA 處理器進行在線更新。這大大縮短了設 計、 開發的成本, 提高了系統的可靠性。當然, 在對電源電路的擴展性要求不高或是接口資 源要求不是很高的情況下, 所述第二控制器 114 也可以由 CPLD、 MCU 或單片機來替代, 亦能 完成其基本設計功能。因此, 無論使用上述任何一種處理器設計該第二控制器 114, 均應在 本發明的保護范圍之內。
     另外, 所述數字隔離電路 113 是完成本發明主從兩個處理器進行數據交互, 實現 電路隔離的重要器件。因此, 本發明中該數字隔離器 113 采用的是 ADI 的 ADum1301 數字隔 離器。該數字隔離器采用了 iCoupler 技術, 具有三通道隔離。這種隔離器件相較于一般所 用的數字光耦器件具有壽命長、 穩定性好、 功耗較低, 外圍驅動電路簡單等特點, 具有較強 的價格優勢和可靠性。另外, 本發明中該數字隔離電路 113 還采用了兩端獨立供電的供電 方式, 即由數字控制部分 119 和模擬輸出控制部分 120 分別向該數字隔離電路 113 供電, 以 進一步保證數字隔離電路 113 兩端電路的完全隔離。
     圖 2 為本發明精密數字電源第二實施例電路圖。該實施例主要針對模擬輸出電路 117 具有多路輸出所設計。如圖 2 所示, 該模擬輸出電路 117 具有至少兩路輸出通道。在所 述 DAC 參考電壓輸出電路 116 與模擬輸出電路 117 之間串聯有 DAC 選擇開關電路 125。在 所述 ADC 檢測電路 115 與模擬輸出電路 117 之間串聯有 ADC 選擇開關電路 122。所述 DAC 選擇開關電路 125 用以根據第二控制器 114 發出的控制信號選擇 DAC 參考電壓輸出電路116 的輸出通道。所述 ADC 選擇開關電路 122 用以根據第二控制器 114 發出的控制信號選 擇 ADC 檢測電路 115 的輸入通道。通過這樣的結構設計, 本發明所設計的精密數字電源就 可以僅通過一組 DAC 參考電壓輸出電路 116 和 ADC 檢測電路 115 實現對多通道模擬輸出電 路 117 進行支持。
     除此之外, 為了進一步保證模擬輸出電路 117 中各個通道間的電路隔離。我們還 可以如圖 2 所示, 在所述模擬輸出電路 117 中的至少一路輸出通道的輸入前端串聯有一個 通道隔離電路 127, 以實現該通道與其他輸出通道間的電路隔離。
     這里, 所述通道隔離電路 127 可以采用與前述數字隔離電路 113 相同的數字隔離 電路。但是, 由于此處隔離電路所需的數據處理速度和穩定性要求都較數字隔離電路 113 處要低。因此, 處于成本考慮, 本實施例所采用的通道隔離電路 127 是由數字光耦和線性光 耦所組成的隔離電路。其中, 數字光耦用以傳遞數字信號, 線性光耦用以傳遞模擬信號。
     圖 3 為本發明精密數字電源第三實施例電路圖。如圖 3 所示, 該精密數字電源的 第三實施例是在第二實施例的基礎上, 在所述 DAC 選擇開關電路 125 與模擬輸出電路 117 之間還設有緩沖器電路 124。通過該緩沖器電路 124 可以保證 DAC 選擇開關電路 125 在切 換時參考輸出信號的短時穩定, 同時還可以參考噪聲起到一定過濾作用。這樣就可以保證 選擇開關系統按照嚴格的切換步驟與時序, 將要處理的信號切換到 ADC 的輸入端和 DAC 的 輸出端。 綜上所述, 本發明是通過采用主從式處理器架構將電源電路中的數字部分和模擬 部分相分離, 利用電源數字處理部分與模擬處理部分的數據處理量上的差距, 在數字控制 部分和模擬輸出控制部分之間設置了隔離電路。 這樣做既可以滿足電源對數字和模擬部分 進行電路隔離的要求, 又可以滿足外圍接口對數據流處理能力的要求, 提供了一種數據處 理能力強且具有良好抗干擾性的精密數字電源。 本領域一般技術人員在此設計思想之下所 做的任何不具有創造性的改造, 均應視為在本發明的保護范圍之內。
    

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