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
　　1 引言
　　在一些電子儀器設備中，經常需要性能優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。現在，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，應根據實際情況決定。另外，轉換器所處的系統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。
　　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D/A轉換器的基本原理，該電路應滿足如下傳輸函數：

　　式中：ai——第i位的輸入數字量，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，其傳輸函數為：

　　從式（1）、（2）可知，輸出電壓是參考電流IR=VR/Rr、反饋電阻Rf和輸入數字量的函數。改變參考電流IR和反饋電阻Rf，即改變最大輸出幅度，改變輸入數字代碼即可控制輸出電壓的數值。也就是編程是通過改變D/A轉換器的輸入數字量來實現的。
　　如果所需要的一組電源各路輸出都具有整數倍或乘冪關系時，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
　　U2=－U1D=URD2
　　 ……
　　Un=－Un－1D=(－1)nURDn
式中：D——輸入數字量。

　　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，數字輸入量源自計算機的輸出總線。
整個電路調節程序是：先將數字輸入置全“1”調節W，使VO=20V，然后將數字輸入置全“0”，調節運算放大器，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往往需要綜合考慮，尤其是在系統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字信號，這在高速高精度的系統中危害特別巨大。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，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）采用高穩定度的穩壓電源，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（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），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內電子設備所產生的電磁環境中，又處在系統之外自然界和人為產生的電磁輻射環境之中，因此，電磁環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。