一种脉宽调制的高稳定连续可调直流电压源

王 刚， 兰 江， 陈 乐， 李正坤， 王 农

（1.中国计量学院，浙江杭州 310018； 2.清华大学，北京 100084；

3.中国计量科学研究院，北京 100013； 4.河北大学质量技术监督学院，河北保定 071002）

一种脉宽调制的高稳定连续可调直流电压源

王 刚1，3， 兰 江2，3， 陈 乐1， 李正坤3， 王 农4

（1.中国计量学院，浙江杭州 310018； 2.清华大学，北京 100084；

3.中国计量科学研究院，北京 100013； 4.河北大学质量技术监督学院，河北保定 071002）

介绍了一种以深埋齐纳电压基准元件LTZ1000A主电路为基础，结合脉宽调制技术实现的在0～10 V范围内连续可调的高稳定直流电压源。选用精密电阻并采用适当的保温与隔离措施，实现了电压基准主电路输出高稳定7 V电压，其短期稳定性达到1.7×10－8。利用具有相同温度系数和阻值的精密电阻组成比例升压电阻网络，使输出10 V电压的短期稳定性为2.4×10－8。同时利用脉宽调制并经DC-DC转换电路及滤波电路得到0～10 V的电压输出，短期稳定性可在10－7量级左右。

计量学；直流电压源；脉宽调制；连续可调；高稳定

1 引 言

在数据转换器、线性稳压器、电压检测器等电路及精密测量仪表中，电压参考是不可缺少的重要部分，直接决定了整个系统的工作性能。然而，市场上能提供高精度、高稳定参考电压的器件大都为恒压输出，不能满足电路设计中对连续可调电压的需求；而能提供连续输出电压的器件稳定性通常只有10－5量级左右，不能满足对稳定性要求高的需求。

针对上述要求，本文提出了一种以深埋齐纳电压基准元件LTZ1000A主电路为基础，结合脉宽调制（PWM）技术实现的在0～10 V［1］范围内连续可调的高稳定直流电压源，其主要技术特征为：

（1）基准电路输出的7 V电压和升压网络输出的10 V电压，短期（0.5 h）相对标准差均达到10－8量级。

（2）可输出0～10 V连续可调电压，短期（0.5 h）相对标准差在10－7左右。

2 设计原理

使用电压基准芯片与优化匹配的外部电路、升压网络得到高稳定的10 V电压，在此基础上，本文采用PWM调制技术得到0～10 V连续可调电压，原理如下。

PWM信号表达式为

式中，VH＝10 V；T为单片机（micro-programmed controlunit，MCU）的机器周期；N为1个周期内机器周期的总数；n为高电平的机器周期总数。

其傅里叶级数的系数分别为

而当k为其他值时，f（t）中会有更多的正弦及余弦谐波分量。

如果滤除了所有的谐波分量与纹波，调节占空比n／N，理论上就可以得到0～10 V之间连续的电压。

3 设计方案

为得到0～10 V连续可调电压，设计的系统总体结构框图见图1，主要包括直流恒压基准电路、升压网络和调压电路3部分。

图1 直流电压参考系统框图

3.1 直流恒压基准电路的设计

直流恒压基准电路的关键部件是电压基准芯片，其有3个关键指标：温度漂移、低频噪声和年稳定性，而年稳定性是最重要的指标。市场上能直接输出10 V的电压基准芯片，如VRE 100、AD587L等，年稳定性均大于10×10－6，噪声峰峰值均大于3 μV，而LTZ1000A年稳定性优于1×10－6，噪声峰峰值仅1.2μV［2］，输出典型值电压为7.0～7.5 V，只要配以合理的外部电路就能得到10 V电压，并使输出电压具有优越的性能指标，故本系统采用LTZ1000A作为基准电压芯片。

为了得到稳定的输出，还应考虑3个方面的因素：（1）器件本身固有的0.1～10 Hz噪声对输出电压的影响；（2）散热不均匀及接触热电势对输出的影响；（3）图2所示外部电路中电阻稳定性对输出电压的影响，主要体现在工作电流由外部电阻R1设定，运放输入正向端电压直接受R2～R3的影响，片内集成的温度传感器和加热丝则由电阻R4与R5的比值来设定等［2］。

为此，首先挑选输出最为稳定的电压基准芯片LTZ1000A为主电路芯片［3］。其次，为了尽可能减小接触热电势与气流的影响，设定LTZ1000A内部温度略高于外部环境温度，并做好保温处理与电磁隔离。最后，电路中的R1～R5等关键电阻优选了高精密金属膜电阻器，其他电阻均采用了精密线绕电阻，运算放大器则优先选用了电流噪声、温度漂移和失调电压等参数均较小的LT1013［3，4］。

3.2 升压网络的设计

得到恒压基准后，需要电阻升压网络使其升至10 V，为此可采用同一种类、同一批次、具有相同温度系数和阻值的高精密电阻组成的电阻网络来实现，其优点是电阻稳定性变化不会导致其在整个网络中的比例变化。

升压网络原理结构图见图3，其中R1～R10为高精密线绕电阻，具有相同的阻值和温度系数，R7处为7 V基准电压的输入端，R10处为10 V电压的输出端，R11为微调电阻，用来调节10 V输出电压的偏差。

3.3 调压电路的设计

图2 输出高稳定7 V电压的电路

图3 升压网络原理结构图

根据设计原理，本文采用PWM技术对上节得到的高稳定10 V电压进行调制来实现0～10 V电压连续可调输出。

（1）PWM调制信号的产生

图4为PWM信号输出原理结构图，用两路相位相反的信号控制2个模拟开关。为了隔离MCU对模拟开关的高频串扰，在MCU与模拟开关之间采用了光隔离技术。（2）DC-DC转换电路

图4 PWM信号输出原理结构图

由设计原理可知，只有滤除PWM信号中的谐波和纹波，才能得到高稳定的电压。本文采用DCDC转换电路来实现这一目的。

DC-DC转换电路主要包含LC与RC的滤波电路，见图5。实验证明只有LC滤波电路并不能把所有的纹波滤除，为了得到更好的输出特性，本文增加了一级RC低通滤波电路。而滤波电路的参数可根据式（4）中的一阶分量的频率来设计。

由于本系统是通过调节占空比n／N来控制电压输出，为了简化设计滤波电路，根据输出电压来调整MCU工作频率。为更好地滤除谐波分量，取fL为2／f1的1／10～1／5［5］，其中，f1为使输出最小分辨率电压（VH／N）纹波最小的工作频率；fL为滤波器截止频率。另外，PWM信号在滤波电路中会产生谐波电流，较大的电容会增大谐波电流，过大的电流会加剧电感和电容发热［5］，影响系统输出稳定性。如果两者的参数不匹配，还有可能发生谐振，对电路产生严重影响［6］。选择参数时，应在不引起谐振的前提下，增大电感值。

图5 DC-DC转换电路

为了使前后两级滤波器的阻抗相匹配，在两级之间用精密运算放大器作了隔离。为了降低系统的输出阻抗，提高驱动负载的能力，在RC滤波电路后加了跟随电路。

3.4 运算放大器的选择

运算放大器的性能是影响本系统输出稳定性的重要因素之一，选用运算放大器时应重点考虑运放的失调电压及其漂移、噪声、共模抵制比等因素，根据文献［7］中的相关方法，综合各个因素本系统选用的运算放大器为OPA177GP。

3.5 稳定直流供电的设计

为了给整个系统提供一个良好的供电环境，本系统采用蓄电池直流供电，经三端稳压芯片为后续电路提供电压，输出的±15 V电压温漂为1.8 mV／℃，噪声40μV，满足了后续电路对电压的需求。

3.6 数据采集

为更合理地考查系统的输出特性，且防止人为因素的干扰，采取了计算机LABVIEW程序控制Agilent3458A型8位半数字电压表自动采集的方法记数，测量结果由计算机直接显示并记录下来。

4 测量结果

本文针对系统的5 V、7 V、8 V和10 V等电压进行测量，其中7 V为直流恒压基准电路输出的基准电压，10 V则是经升压网络输出的电压，5 V和8 V是由可调电路输出的电压，测量结果见图6～图9，测试结果的平均值及相对标准差见表1。

图6 7 V电压输出曲线图

图7 10 V电压输出曲线图

图8 5 V电压输出曲线图

图9 8 V电压输出曲线图

表1 所测电压平均值及相对标准差

5 结 论

通过优选性能突出的外围器件与采用合理的电路结构，直流恒压基准电路输出的7 V电压短期稳定性为1.7×10－8；通过升压网络得到10 V电压的短期稳定性可达2.4×10－8；可调电路输出的0～10 V连续可调电压的短期稳定性可达到10－7量级，均满足了设计指标的要求。

在后续的研究中，拟设计电路以更有效地消除纹波和谐波信号且减小电路中有用信号的损耗，以进一步提高经脉宽调制输出电压的稳定性。

［1］ 冯占岭，胡衍瑞，张力力.10伏电压标准及其量值传递［J］.计量学报，1987，8（1）：42－45.

［2］ Spreadbury P J.The Ultra-Zener-a portable replacement for theWeston cell［J］.MeasSciTechnol，1990，4：687－690.

［3］ Field B M.An improved transportable DC voltage standard［J］.IEEEtransactionsoninstrumentationand measurement，1989，38（2）：324－329.

［4］ 胡毅飞，周庚如，王路，等.10V直流电压标准研究［J］.计量学报，1999，21（3）：205－208.

［5］ 宋强，刘文华，严干贵，等.大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计［J］.清华大学学报，2003，43（3）：345－348.

［6］ 夏廷君.有源电力滤波装置中LC滤波器改进设计的研究［D］.长春：哈尔滨理工大学，2010.

［7］ 王农，韩冰，贺青，等.普朗克常数h测定系统中磁场线圈稳流源研究［J］.电测与仪表，2011，48（547）：1－6.

A Consecutively Adjustable and High Stable DC Voltage Source with PWM Chopped Modulator

WANG Gang1，3， LAN Jiang2，3， CHEN Le1， LIZheng-kun3， WANG Nong4
（1.China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang310018，China；
2.Tsinghua University，Beijing 100084，China； 3.National Institute of Metrology，Beijing 100013，China；
4.College of Quality and Supervisor Technology，Hebei University，Baoding，Hebei071002，China）

A continuously adjustable high stable DC voltage reference based on subsurface Zener reference LTZ1000A is presented and PWM technique is adopted to output voltages between 0～10 V.With selecting high precise resistors and using appropriatemeasures to insulate and isolate，the short-time relative stability of 7 V output voltage provided by LTZ 1000 is 1.7×10－8.The voltage of 10 V is increased up by a network，composed by high precise resistors with the same temperature coefficient，and its short-time relative stability is 2.4×10－8.The voltage of 0～10 V generated by PWM technique and suitable DC-DC conversion-filter circuit aremeasured and the short term relative stabilities are about10－7.

Metrology；DC voltage source；PWM；Continuously ad justable；High stable

TB971

A

1000-1158（2014）02-0169-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．16

2012-02-22；

2013-12-23

王刚（1988－），男，河南新乡人，中国计量学院研究生，从事精密电磁测量研究。wywanggang163＠163.com