一种便携式高精度的基准电压源控制装置的制作方法

1.本发明涉及一种便携式高精度的基准电压源控制装置，属于电源电路技术领域。

背景技术：

2.基准电压源通常是指在电路中用做电压基准的精确稳定的电压源。随着集成电路技术的不断发展，基准电压源以其输出参考电压的精确性和稳定性，被广泛地应用于各种大规模集成电路系统中，成为不可缺少的基本电路模块。例如，数模混合电路中的高精度比较器、高精度模数(a/d)转换器和高精度数模(d/a)转换器、线性稳压器，以及dc/dc变换器等。同时，在各种精密测量仪表中也有着广泛的应用。由于基准电压源的精准度和稳定性直接影响整个集成电路系统的工作性能，因此，集成电路系统对基准电压源所提供的基准电压精确度的要求越来越高。
3.在实际应用中，各种高精度的电压采集电路或模块，以及万用表等各类电压采集仪器，都需要对其内置的基准电压源进行校准后，方能达到预期的电压输出或采集精度。通常在实验室或者生产车间中，电压校准工作利用现有技术中的高精度基准源设备，相对来说比较容易进行校准操作。但是，如果在室外等其他应用场景下，由于现有基准源校准设备的便携性及灵活性较差，使得电压校准工作十分不便。因此，有必要研发一种便携式高精度的基准电压源控制装置，方便在多种应用场景下对电压采集装置进行基准电压的校准工作，也可以独立工作对电压采集电路提供高精度的基准电压源。
4.在专利号为zl 201210018433.0的中国发明专利中，公开了一种数控直流电压源。该数控直流电压源采用由d/a提供基准电压再通过功率运放输出，从输出电压采样反馈至功率运放的输入端进行闭环控制，无需输出极性换向电路就能实现双向电压输出。

技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种便携式高精度的基准电压源控制装置。
6.为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：
7.根据本发明实施例，提供一种便携式高精度的基准电压源控制装置。该基准电压源控制装置包括系统控制单元、基准源单元、数模转换单元、模数转换单元、输出缓冲单元、通信接口单元和直流电源单元；其中，
8.所述系统控制单元用于控制所述基准电压源控制装置中各功能单元的运行，其通过spi通信方式与所述数模转换单元及所述模数转换单元连接，通过usart通信方式与所述通信接口单元连接，通过iic通信方式与所述液晶显示单元连接；
9.所述基准源单元用于输出参考基准电压，其输出端分别与所述数模转换单元和所述模数转换单元的电源输入端连接；
10.所述数模转换单元用于将系统控制单元下发的数字设定电压值转换为模拟设定电压，其输出端与所述输出缓冲单元的输入端连接；
11.所述输出缓冲单元用于对模拟设定电压进行缓冲放大后形成基准电压；其输出端
与所述基准电压源控制装置的输出端及所述模数转换单元的输入端连接；
12.所述模数转换单元用于实时采集所述基准电压源控制装置输出端的基准电压，转换为数字基准电压值后反馈给所述系统控制单元，实现对输出端基准电压的闭环控制。
13.其中较优地，所述系统控制单元采用微处理器实现；其通过内置的工作程序或者上位机的控制指令，以及反馈的输出端基准电压值，实时调整并输出数字设定电压值。
14.其中较优地，所述基准源单元采用电压基准芯片实现；其输出的基准电压为所述数模转换单元提供参考基准电压。
15.其中较优地，所述输出缓冲单元采用运算放大器实现；用于提高所述基准电压源控制装置的驱动能力。
16.其中较优地，所述通信接口单元采用通信芯片实现，用于实现所述系统控制单元与上位机的相互通信。
17.其中较优地，所述液晶显示单元采用显示芯片实现，用于实时显示所述基准电压源控制装置中的相关数据。
18.其中较优地，所述直流电源单元由电源转换芯片和低压差线性稳压器构成，为所述基准电压源控制装置中的各功能单元提供直流工作电源。
19.其中较优地，当所述数模转换单元将所述系统控制单元提供的数字设定电压值转换模拟设定电压，并经过所述输出缓冲单元对该模拟设定电压进行缓冲放大后作为基准电压输出时，所述模数转换单元实时采集该输出基准电压经过转换后生成数字基准电压值，并通过spi通信方式将该数字基准电压值发送至所述系统控制单元，所述系统控制单元接收到该数字基准电压值后与预先设定的基准电压值进行比较，并利用比较结果自动调整数字设定电压值，实现对输出端基准电压的闭环控制。
20.与现有技术相比较，本发明所提供的便携式高精度的基准电压源控制装置，通过采用输出基准电压闭环控制的技术方案，实现了基准电压的高精度可调输出。同时，该基准电压源控制装置具有方便携带、工作电源容易获得等特点，适用于在多种应用场景下为数模混合电路提供基准电压源或对其内置基准电压进行校准。因此，本发明所提供的一种便携式高精度的基准电压源控制装置具有电路设计巧妙合理、实施成本较低、工作效率高，以及电路性能优异等有益效果。
附图说明
21.图1为本发明实施例提供的基准电压源控制装置的结构框图；
22.图2为本发明实施例中，系统控制单元的微处理器引脚接线图；
23.图3为本发明实施例中，数模转换单元的dac芯片引脚接线图；
24.图4为本发明实施例中，模数转换单元的adc芯片引脚接线图；
25.图5为本发明实施例中，输出缓冲单元的opa芯片引脚接线图；
26.图6为本发明实施例中，基准源单元的电压基准芯片引脚接线图；
27.图7为本发明实施例中，通信接口单元的通信芯片引脚接线图；
28.图8为本发明实施例中，液晶显示单元的显示芯片引脚接线图；
29.图9为本发明实施例中，直流电源单元的第一电源芯片引脚接线图；
30.图10为本发明实施例中，直流电源单元的第二电源芯片和第三电源芯片引脚接线
图。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
32.如图1所示，本发明实施例提供的一种便携式高精度的基准电压源控制装置包括系统控制单元、基准源单元、数模(d/a)转换单元、模数(a/d)转换单元、输出缓冲单元、通信接口单元、液晶显示单元和直流电源单元。其中，系统控制单元通过spi通信方式与数模转换单元及模数转换单元连接，通过usart通信方式与通信接口单元连接，通过iic通信方式与液晶显示单元连接。基准源单元的输出端分别与数模转换单元和模数转换单元的电源输入端连接。数模转换单元的输出端与输出缓冲单元的输入端连接，输出缓冲单元的输出端与基准电压源控制装置输出端及模数转换单元的输入端连接，形成闭环控制回路。直流电源单元的三个输出端分别与系统控制单元、通信接口单元和液晶显示单元，以及基准源单元，以及数模转换单元和输出缓冲单元的电源输入端连接。
33.系统控制单元用于根据设定的工作程序或者上位机的控制指令，控制便携式基准电压源装置中各功能单元的运行。在本发明的一个实施例中，系统控制单元采用型号为stm32f103c8t6的arm微处理器实现。如图2所示，该微处理器的引脚25、26、28、29分别与数模转换单元连接，用于控制数模转换单元输出的设定电压值；该微处理器的引脚39、40、41分别与模数转换单元连接，用于接收模数转换单元采集输出的基准电压值，实现对输出基准电压的闭环控制；该微处理器的引脚12、13分别与通信接口单元连接，用于实现与上位机的通信；该微处理器的引脚42、43分别与液晶显示单元连接，用于实时显示系统相关数据；该微处理器的引脚9与直流电源单元的输出端连接，用于接入3.3v直流工作电源。
34.数模转换单元用于根据系统控制单元下发的数字设定电压值，转换为模拟设定电压后输出至输出缓冲单元。在本发明的一个实施例中，数模转换单元采用型号为dac8565的dac芯片实现。如图3所示，该dac芯片的引脚9、10、11、13分别与微处理器(即系统控制单元)的引脚25、26、28、29连接，用于实现微处理器与dac芯片之间的spi通信方式；该dac芯片的引脚8与输出缓冲单元连接，用于输出模拟设定电压；该dac芯片的引脚3与基准源单元的输出端连接，用于接入参考基准电压；该dac芯片的引脚4与直流电源单元的输出端连接，用于接入5v直流工作电源。
35.模数转换单元用于实时采集基准电压源控制装置输出端的模拟基准电压，转换为数字基准电压值后反馈给系统控制单元，实现对输出端基准电压的闭环控制。在本发明的一个实施例中，模数转换单元采用型号为ads1220的adc芯片实现。如图4所示，该adc芯片的引脚1、15、16分别与微处理器(系统控制单元)的引脚39、40、41连接，用于实现微处理器与adc芯片之间的spi通信方式；该adc芯片的引脚10与输出缓冲单元连接，用于采集基准电压源控制装置输出端的模拟基准电压；该adc芯片的引脚12与基准源单元的输出端连接，用于接入5v供电电源。
36.输出缓冲单元用于接收数模转换单元输出的模拟设定电压，进行缓冲放大后作为基准电压输出，并提高基准电压源控制装置的驱动能力及抗干扰能力。在本发明的一个实施例中，输出缓冲单元采用型号为rs321的运算放大器(opa)芯片实现。如图5所示，该opa芯片的引脚3(同相输入端)与dac芯片(数模转换单元)的引脚8连接，用于接收数模转换单元
输出的模拟设定电压；该opa芯片的引脚6与基准电压输出端及adc芯片(模数转换单元)的引脚10连接，用于输出基准电压和输出基准电压的采集。该opa芯片的引脚7与直流电源单元的输出端连接，用于接入5v直流工作电源。
37.基准源单元用于输出高精度、低温漂的基准电压，为数模转换单元提供参考基准电压，以及为模数转换单元提供精准的供电电压。在本发明的一个实施例中，基准源单元采用型号为ref5050的电压基准芯片实现，其输出的基准电压为5v。如图6所示，该电压基准芯片的引脚2与直流电源单元的输出端连接，用于接入5.5v直流工作电源；该电压基准芯片的引脚6为分别与dac芯片(数模转换单元)的引脚3、adc芯片(模数转换单元)的引脚12连接，为dac芯片提供参考基准电压和为adc芯片提供供电电源。
38.通信接口单元用于与上位机的进行通信，可以实现在线实时调整输出基准电压的大小。在本发明的一个实施例中，通信接口单元采用型号为sp3232的通信芯片实现。如图7所示，该通信芯片的引脚11、12分别与微处理器的引脚12、13连接，该通信芯片的引脚13、14分别与上位机的通信接口连接，用于实现上位机与系统控制单元之间的usart通信方式；该通信芯片的引脚16与直流电源单元的输出端连接，用于接入3.3v直流工作电源。
39.液晶显示单元用于实时显示便携式基准电压源装置中的设定电压值、输出端基准电压值等相关数据。在本发明的一个实施例中，液晶显示单元采用型号为oled-ssd1306-0.96的显示芯片实现。如图8所示，该显示芯片的引脚3、4分别与微处理器的引脚42、43连接，用于实现微处理器与该显示芯片之间的iic通信方式；该显示芯片的引脚2与直流电源单元的输出端连接，用于接入3.3v直流工作电源。
40.直流电源单元用于为基准电压源控制装置中的系统控制单元、基准源单元、数模转换单元、输出缓冲单元、通信接口单元和液晶显示单元提供直流工作电源。在本发明的一个实施例中，直流电源单元由第一电源芯片、第二电源芯片和第三电源芯片构成。其中，第一电源芯片采用型号为tps61252的电源转换芯片实现，其输入电源可以采用2～5.5v范围内方便提供的任何电源，例如电池、电脑usb、充电宝等，其输出电压为5.5v提供给第二电源芯片和第三电源芯片，以及基准源单元。如图9所示，该电源转换芯片的引脚8与外部电源连接，引脚2分别与第二电源芯片、第三电源芯片以及基准源单元的电源输入端连接。
41.在本发明的一个实施例中，第二电源芯片和第三电源芯片均采用型号为tps73701的ldo(低压差线性稳压器)电源芯片实现，该ldo电源芯片的输入电压为5.5v。其中，第二电源芯片的输出电压为3.3v，为系统控制单元、通信接口单元和液晶显示单元提供直流工作电源。第三电源芯片的输出电压为5v，为数模转换单元和输出缓冲单元提供直流工作电源。如图9所示，该ldo电源芯片的引脚8为电源输入端，引脚1为电压输出端。
42.根据实际工作需要，本发明实施例提供的基准电压源控制装置的工作模式可以分为在线工作模式和离线工作模式。下面结合图1，对本发明实施例提供的基准电压源控制装置的工作原理和过程进行详细说明。
43.当基准电压源控制装置工作于在线模式时，用户可以通过上位机(pc机等)对基准电压源控制装置输出端的基准电压进行随时调整，其工作过程如下：
44.装置上电后，上位机通过通信接口单元向系统控制单元下发“基准电压”的控制指令。系统控制单元接收到“基准电压”的控制指令后进行内部算法计算生成数字设定电压值，并通过spi通信方式将计算结果发送给数模转换单元。数模转换单元以基准源单元的输
出电压作为参考电压，经过转换后生成模拟设定电压输出至输出缓冲单元。输出缓冲单元对该模拟设定电压进行缓冲放大后生成基准电压，并通过基准电压源控制装置的输出端对外输出基准电压。在上述工作过程中，采用基准源单元的输出电压作为参考电压，可以提高基准电压源控制装置输出基准电压的精度。
45.同时，模数转换单元实时采集基准电压源控制装置输出端的基准电压，经过转换后生成数字基准电压，并通过spi通信方式将转换结果发送至系统控制单元。系统控制单元接收到反馈的数字基准电压后与预先设定的基准电压值进行对比，并利用对比结果自动调整数字设定电压值，实现对输出端基准电压的实时闭环自动调整，进一步提高输出基准电压的精度。
46.同时，系统控制单元通过iic通信方式与液晶显示单元进行通信，液晶显示单元可以实时显示当前设定电压值和基准电压源控制装置输出端的基准电压值等相关数据，方便用户现场查看。
47.当不需要对基准电压源控制装置输出的基准电压进行频繁调整操作时，基准电压源控制装置可以选择工作在离线模式。该基准电压源控制装置在离线工作模式下，装置上电后，系统控制单元自动从内部闪存(flash)读取当前设定电压值，并自动控制系统中各功能单元的运行，最终输出高精度的基准电压。其他工作过程与上述在线模式相同，故不再赘述了。
48.本发明所提供的便携式高精度的基准电压源控制装置，一方面由于采用闭环控制方式对基准电压进行快速准确的调整和输出，能够克服外部环境例如温度变化、外部干扰、电源干扰等因素所引起的基准电压波动，确保基准电压源控制装置输出的基准电压精度在
±
0.01mv之内。另一方面，基准电压源控制装置的电源可以采用2～5.5v范围内方便提供的任何电源，例如电池、电脑usb、充电宝等，工作电源容易获得，并且装置采用集成电路芯片构成，具有外形体积小、方便携带的特点，适用于在多种应用场景下对各种高精度电压采集电路或模块，以及万用表等各类电压采集仪器内置的基准电压源的校准，也可以独立工作对电压采集装置提供高精度的基准电压源。
49.综上所述，与现有技术相比较，本发明所提供的便携式高精度的基准电压源控制装置，通过采用输出基准电压闭环控制的技术方案，实现了基准电压的高精度可调输出。同时，该基准电压源控制装置具有方便携带、工作电源容易获得等特点，适用于在多种应用场景下为数模混合电路提供基准电压源或对其内置基准电压进行校准。因此，本发明所提供的便携式高精度的基准电压源控制装置具有电路设计巧妙合理、实施成本较低、工作效率高，以及电路性能优异等有益效果。
50.以上对本发明所提供的便携式高精度的基准电压源控制装置进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。

技术特征：

1.一种便携式高精度的基准电压源控制装置，其特征在于包括系统控制单元、基准源单元、数模转换单元、模数转换单元、输出缓冲单元、通信接口单元、液晶显示单元和直流电源单元；其中，所述系统控制单元用于控制所述基准电压源控制装置中各功能单元的运行，其通过spi通信方式与所述数模转换单元及所述模数转换单元连接，通过usart通信方式与所述通信接口单元连接，通过iic通信方式与所述液晶显示单元连接；所述基准源单元用于输出参考基准电压，其输出端分别与所述数模转换单元和所述模数转换单元的电源输入端连接；所述数模转换单元用于将系统控制单元下发的数字设定电压值转换为模拟设定电压，其输出端与所述输出缓冲单元的输入端连接；所述输出缓冲单元用于对模拟设定电压进行缓冲放大后形成基准电压；其输出端与所述基准电压源控制装置的输出端及所述模数转换单元的输入端连接；所述模数转换单元用于实时采集所述基准电压源控制装置输出端的基准电压，转换为数字基准电压值后反馈给所述系统控制单元，实现对输出端基准电压的闭环控制。2.如权利要求1所述的基准电压源控制装置，其特征在于：所述系统控制单元采用微处理器实现；其通过内置的工作程序或者上位机的控制指令，以及反馈的输出端基准电压值，实时调整并输出数字设定电压值。3.如权利要求1所述的基准电压源控制装置，其特征在于：所述基准源单元采用电压基准芯片实现；其输出的基准电压为所述数模转换单元提供参考基准电压。4.如权利要求1所述的基准电压源控制装置，其特征在于：所述输出缓冲单元采用运算放大器实现；用于提高所述基准电压源控制装置的驱动能力。5.如权利要求1所述的基准电压源控制装置，其特征在于：所述通信接口单元采用通信芯片实现，用于实现所述系统控制单元与上位机的相互通信。6.如权利要求1所述的基准电压源控制装置，其特征在于：所述液晶显示单元采用显示芯片实现，用于实时显示所述基准电压源控制装置中的相关数据。7.如权利要求1所述的基准电压源控制装置，其特征在于：所述直流电源单元由电源转换芯片和低压差线性稳压器构成，为所述基准电压源控制装置中的各功能单元提供直流工作电源。8.如权利要求1～7中任意一项所述的基准电压源控制装置，其特征在于：当所述数模转换单元将所述系统控制单元提供的数字设定电压值转换模拟设定电压，并经过所述输出缓冲单元对该模拟设定电压进行缓冲放大后作为基准电压输出时，所述模数转换单元实时采集该输出基准电压经过转换后生成数字基准电压值，并将该数字基准电压值发送至所述系统控制单元，所述系统控制单元接收到该数字基准电压值后与预先设定的基准电压值进行比较，并利用比较结果调整数字设定电压值，实现对输出端基准电压的闭环控制。

技术总结

本发明公开了一种便携式高精度的基准电压源控制装置。该基准电压源控制装置包括系统控制单元、基准源单元、数模转换单元、模数转换单元、输出缓冲单元、通信接口单元、液晶显示单元和直流电源单元。其中，系统控制单元通过SPI通信方式与数模转换单元及模数转换单元连接，通过USART通信方式与通信接口单元连接，通过IIC通信方式与液晶显示单元连接。数模转换单元的输出端与输出缓冲单元的输入端连接，输出缓冲单元的输出端与基准电压源控制装置输出端及模数转换单元的输入端连接，形成闭环控制回路。该基准电压源控制装置具有基准电压高精度可调输出，兼具便携性及灵活性等特点，适用于多种应用场景。于多种应用场景。于多种应用场景。