程序控制电压源及其电磁兼容性设计

1   引言

    在一些电子仪器设备中，经常需要性能优良的可调整的电压源或电流源，以往大多采用运算放大器来完成。现在，随着集成A/D，D/A转换器精度的提高，已广泛地采用A/D，D/A转换器构成精密的程序控制的电压源或电流源。至于选择何种类型的转换器，输出量是电压还是电流，应根据实际情况决定。另外，转换器所处的系统充满了各种形式的噪声，有噪声必然产生测量误差，有误差必然降低测量精度。电磁干扰是影响测量精度的主要因素，因此，在设计含有转换器的系统时，要采取行之有效的措施加以消除。

2   典型的程序控制电压源

    以下用D/A转换器为例阐述程序控制电压源的工作原理。D/A转换器的输出量为电压输出时，其本身就是一个较好的精密程序控制电压源。其中被控电压的精度依赖于D/A转换器的相对精度。图1是一个基本程控电压源电路。

图1   数 控 可 编 程 电 压 源

    在这里需要指出，输出驱动能力够用时，放大器A2可以不用。根据D/A转换器的基本原理，该电路应满足如下传输函数：

    UO=（UR/RR）RFai·2－i    （1）

式中：ai——第i位的输入数字量，i=1,2,…，n，ai的值为“1”或“0”；

      UR——参考电压；

      RR——参考输入电阻；

      RF——放大器的反馈电阻。

    对于偏移二进制码，其传输函数为：

    UO=（UR/RR）RF（ai·2－i－1/2)   （2）

    从式（1）、（2）可知，输出电压是参考电流IR=VR/Rr、反馈电阻Rf和输入数字量的函数。改变参考电流IR和反馈电阻Rf，即改变最大输出幅度，改变输入数字代码即可控制输出电压的数值。也就是编程是通过改变D/A转换器的输入数字量来实现的。

    如果所需要的一组电源各路输出都具有整数倍或乘幂关系时，可以直接用n个乘法型的D/A转换器构成程控系列电源，如图2所示。图中各路电源进行迭代相乘，其关系为：

    U1=－URD

图2   数控系列电源

    U2=－U1D=URD2

         ……

    Un=－Un－1D=(－1)nURDn

式中：D——输入数字量。      图3是一种实用的程序控制电压源，它应用在计算机辅助测试设备中的接口电路里。

图3   程序控制电压源

    该电路能输出0～20V电压，共有1024个步长的程控电压源，每个步长20mV，稳压二极管作参考基准电压，晶体管V1-3作电压和电流放大，数字输入量源自计算机的输出总线。

整个电路调节程序是：先将数字输入置全“1”调节W，使VO=20V，然后将数字输入置全“0”，调节运算放大器，使VO=0。

3   程控电压源的电磁兼容性设计

    选择合适的A/D、D/A转换器，只是设计工作的起点。对于任何转换器所处的具体系统往往需要综合考虑，尤其是在系统中存在电源电压波动和其它噪声时，必须确保转换器的正常运行。这是因为在电路中，噪声很容易淹没一位或多位数字信号，这在高速高精度的系统中危害特别巨大。因此，有效的合理的电磁兼容性设计是必不可少的。

    在电磁兼容性设计时要遵循以下准则：

    1）切断电磁辐射进入转换器内部产生互相干扰的通道，减少空间耦合。

    2）防止外部设备产生的干扰，各种脉冲调制信号（雷达、无线电波、电视信号），电磁场的变化等因素的影响，必须对电磁效应敏感的器件和部件采取屏蔽保护，比如：外壳屏蔽，电缆滤波和内部的电缆屏蔽。

    3）合理设计电路，正确地选择器件和电路，准确地计算器件和电路的各种参数，制定识别和隔离临界电路的措施以及采用抑制干扰的技术方案，尽量选择高的工作信号电平，符合器件和电路的实际载荷能力，注意“接口”设计。

    4）采用高稳定度的稳压电源，提高电源电压灵敏度，减少因电源波动所引起的线性误差、增益误差和调整误差等，确保精度的稳定可靠。

    5）正确接地与电路布局，考虑到不同频率段干扰的特点和电路的种类接地点可选择：

    ——浮动接地；

    ——一点接地；

    ——多点接地。

    合理的电路布局应该是：

    ——正确布置元器件的位置和方向；

    ——不同用途，不同电平的连接线，如输入线与输出线，弱电线与强电线要远离，更不能平行，高频线要尽量短，传输线要加屏蔽，接地线要短而粗。

    ——对于一个复杂的工作系统（既包括不同频率的工作电路，也包括微电、弱电和强电的不同子系统），要合理布局。在EMC设备中，对不同电路的地线应分小信号、大信号，及继电和功率电路分别设置，连同机壳的地线应分三套或四套接地。

    总之，电磁兼容性设计是多种多样的，有一点必须明确，那就是要有针对性，要行之有效。

4   结语

    A/D、D/A转换器既处在自身所在系统内电子设备所产生的电磁环境中，又处在系统之外自然界和人为产生的电磁辐射环境之中，因此，电磁环境对转换器的性能产生潜在的不利影响，容易造成其性能劣化，甚至功能丧失，这就要求设计人员不但要高度重视电磁兼容性问题，而且还要采取有效的措施加以消除。