一种高精度可调电平接口电路设计∗

赵雪鹏苏淑靖邢震震余 毅

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)

在电子、航空航天、无线通讯等领域中，需要输入速度快、精度高、抖动低的时钟信号，来保证相关的电子组件得以同步运作。然而输出单一电平的接口并不能满足各种数字电路的需求。如果逻辑电平不兼容将引起逻辑混乱或者损坏电路，因此需要一种输出可调电平的时钟产生设备。

随着集成电路的快速发展，在不同场合下的不同电路，使用的接口电平也不尽相同，这使得市面上面存在很多电平种类，例如TTL、RS485、LVCOMS、PECL、LVPECL、LVDS 等。面对众多的电平种类，对数字接口电路有了更高的要求。在现有仪器中，也有可以产生多种电平信号的仪器，如美国是德科技生产的81134A 码型发生器就可以输在电压为－2 V～＋2 V 范围内选择任意电平输出，但国内仪器中如虹科生产的AWG－4000 码型发生器，只有LVDS 转LVTTL 单种模式[1]。

为了可以适应各种仪器或电路所需的电平接口，本文设计了一种可调电平接口转化的电路。该电路可以独立调节电平的差模电压和共模电压，通过隔离方式耦合成所需的电平信号，从而可以实现输出任意常用的电平接口信号，经实际测量电平信号精度高、质量好。

1 可调电平接口电路方案设计

可调电平接口电路可分为差模电压调节模块、共模电压调节模块以及通信接口模块，如图1 所示。其中差模电压调节模块中的隔离电源转换电路输出供给电平差模电压调节模块，使其与电平共模电压调节模块隔离供电，实现差共模电压解耦调节，电平共模电压调节模块与其他模块为同一参考地。差模电压调节电路和共模电压调节电路分别用于输出电平的差模电压和共模电压；控制数据接口通过RS485 转接器连接PC 机接，通信接口电路接收到总线上的数据传送到STM32，来控制差模电压和共模电压值；外部驱动用于驱动差模电压调节电路产生差模信号。

图1 可调电平接口电路设计方案

1.1 差模电压调节模块设计

1.1.1 差模电压调节电路

差模电压电路在外部驱动的作用下产生与驱动信号频率一致的差模信号，由STM32 控制电平信号的差模值。由于电平信号的最高频率到达3.2 GHz，据此选择了高速激光驱动器来驱动电路生成差模电压。激光驱动器输出的是高速电流信号，可通过电阻转换为电压信号。差模电压调节电路选择TI 公司生产的ONET1101L 芯片作为电流驱动器，其速率可达11.3 Gbyte/s，满足本系统对频率的设计需求。该芯片是一个具有均衡器、调制电流(IDM)功能的电流输出驱动器。输出电流可编程控制，最高可达到85 mA，电流分辨率为83 μA，其连接示意图如图2 所示[2]。

图2 电平转换电路连接示意图

1.1.3 隔离电源转换电路

差分传输线间的阻抗匹配为差分100 Ω，所以R1、R2、R3和R4的阻值满足下述式(1):

因此选择R1、R2、R3和R4为四个100 Ω 的电阻，由于输出电流频率很高，为了输出差模电压的稳定性，电阻选择射频电阻。芯片外部设计了V2端连接共模信号电压，这端口与共模电压调节电路AD8397 的输出端连接。由于ONET1101L 芯片的驱动能力有限，所以设计V1的作用是辅助芯片调节差模电压，调试时V1处提供的电压为隔离5.5 V。G1连接的隔离地，G2连接的是非隔离地，G2和G1用射频电容隔离开来，实现差模电路和共模电路的参考地隔离开[3]。

在中国股市成立初期，由于受到国内管制较多，中国股票市场与国际股市的相依性非常低，这一点已经过多数学者的验证。因此，本文将样本区间设置为2001年1月1日至2015年11月30日，数据频率采用日度数据，研究数据来自雅虎财经。

ONET1101L 作为电流驱动器，可通过编程调节输出电流，差模电压则为电流乘以相应电路阻抗。根据图2 可知外接阻抗的连接方式如图3 所示。则阻抗表达式如式(2)所示，代入数值可得ZOUT的阻值为22.8 Ω。

采用SPSS 17.0统计软件进行统计分析。应用x2检验分析评估各相关因素与手术部位感染之间的关联，单因素分析有统计学意义的纳入多因素分析，多因素分析采用Logistic回归模型，所有检验均为双侧检验，P＜0.05表示差异具有统计学意义。

图3 ONTE1101L 输出阻抗示意图

ADP7104 由一个参考点、误差放大器、反馈分压器和一个PMOS 型晶体管组成。输出电流由PMOS 调整管提供，需受误差放大器控制。误差放大器将参考电压与输出反馈电压进行比较，并放大两者之间的差值。如果反馈电压低于参考电压，PMOS 器件的栅极会被拉低，允许更多的电流通过并增加输出电压。当反馈电压高于参考电压时，PMOS 器件的栅极被拉得更高，使得通过的电流变小，从而降低输出电压[6]。

差模调节电路需要隔离3.3 V 和隔离5.5 V 电源供电，所以在设计中通过隔离DC－DC 电源模块将6 V 转成隔离6 V，再通过非隔离电源模块将隔离6 V 转成所需的隔离3.3 V 和隔离5.5 V，其中隔离3.3 V 为差模调节电路和通信接口电路供电，隔离5.5 V 用于辅助芯片调节差模电压。隔离电源转换电路中使用航天长峰朝阳电源公司的4NIC－DC4.2－S6G 型号的集成电源模块作为隔离电源转换模块。该模块具有结构简单、稳定性好等优点，可将输入的非隔离6 V 转换成隔离的6 V，且输出的电流驱动能力达到0.7 A，电源纹波小，连接示意图如图5 所示。电压输入输出端连接的电感L1和L2起到滤波的作用，防止电流突变对芯片的电源和地造成干扰；电容C1和C2电容起到去耦作用，滤除电压的高频噪声。

花生青枯病在干旱或多雨情况下发生严重,发病盛期一般在花生盛花期前,通常日平均气温稳定在20摄氏度以上, 5厘米深处土温稳定在25摄氏度以上时开始发病,旬平均气温稳定在25摄氏度以上，土温达30摄氏度时进入盛发期,阴雨或暴雨骤睛,花生青枯病有可能大发生。

1.1.2 STM32 程序设计

ONET1101L 用于调节电平的差模值，使用2 线串行接口进行数字控制。两路输入分别为SCL 和SDA，由STM32 处理器的串行时钟和串行数据驱动，该两路引脚采用漏极开路的方式，用4.7 kΩ 电阻上拉至3.3 V。2 线接口提供对内部内存映射的写访问以修改控制寄存器和读访问，以读出控制信号。ONET1101L 仅为从设备，本身无法启动传输；在传输期间，必须依靠SCL 信号。主设备提供时钟信号加上启动和停止命令。数据传输协议如下所示:

(1)启动命令；

(2)7 位从地址(0001000)后面跟着第8 位是数据传输方向位(R/W)。0 表示写，1 表示读；

(3)8 位寄存器地址；

③工程景观效果。治理工程实施后河道具有良好的景观效果，即治理工程实施后河流自然度高，能够较快形成植被丰富、结构完整、生物种类和水体形态多样性高的近自然驳岸。

(4)8 位寄存器数据字；

(5)停止命令；

长期以来，测绘标准的制修订管理业务都是以电子文档、邮箱或电话方式进行交互式提交和反馈，标准制修订过程文档的存储由文件夹方式管理，导致标准制修订管理低效，资源共享性差，标准分析困难等。

图4为左线道床的累计沉降量统计情况。自2015年9月在道床上布设监测点以来共进行了6次监测，其中道床初始高程取初次测量值。从图4中可以看出：道床纵向沉降量呈波动不均匀分布，沉降量均未超过竖向位移预警值10 mm[11]，其中，8号线右线下穿部位道床附近累计沉降量最大，相对初始值累计沉降在5 mm左右；左线ZDK29+260—ZDK29+350区段由于结构下卧软土层相对较厚，且厚度均大于10 m，累计沉降量在3 mm左右；3号联络通道处累计沉降量在2 mm左右。

图4 ONET1101L 通信时序图

DIN＋和DIN－引脚为差分时钟输入端用于驱动差模电压的产生，MOD＋和MOD－引脚为电流信号输出端。STM32 与芯片的SCL、SDA 管脚相连，通过I2C 通信协议实现控制ONET1101L 输出电流，经过外部电阻实现差模电压的控制。

为实现差模电压和共模电压可以分别独立调节且互不干扰，设计时采用隔离供电的方式，通过将两个电压输入端的低电平参考端隔离的办法实现电平的共模电压和差模电压解耦调节。隔离可以有效解决信号环路和设备之间的互相干扰，也可以有效消除线路传输过程中外界的一些电磁干扰。隔离DC－DC 电源模块是指隔离电源使用变压器，将各种不同电压通过变压器，将电压降到所需要的电压，作为负载供电使用。非隔离电源模块是将各种不同电压直接引入到电子电路，再通过电子元件进行升降压输出，输入输出是通过电子元件直接连接的，中间并没有经过变压器等带隔离性的器件[5]。

当Iidff最大为85 mA 时，差模电压输出最大，理论输出最大值为1.938 V，调试时最大可达1.9 V。

图5 非隔离6 V 转隔离6 V 原理图

隔离6 V 需要转成隔离3.3 V 和隔离5.5 V。电压转换电路选用Analog Devices 公司的ADP7104作为电压转换芯片。ADP7104 是一款CMOS 低压差线性的稳压器，工作电压从3.3 V 到20 V，输出电流高达500 mA，输出电压范围为1.5 V 到9 V，可以满足所需的3.3 V 和5.5 V 电压。

则差模电压为

ADP7104 输出电压可通过外部反馈电阻调节，通过调节外部反馈电阻阻值使得输出电压为3.3 V和5.5 V。输出电压可由式(4)可得，其工作原理图如图6 所示。VIN、VOUT分别为电压的输入输出端，EN 引脚高电平有效控制电压输出，ADJ 接收反馈电压，调节输出电压。C3、C4为旁路电容用于滤除高频噪声。R8、R9用于调节反馈电压大小。当输出3.3 V 的隔离电压时，R8、R9的值分别为10 kΩ、17 kΩ；当输出5.5 V 隔离电压时，R8、R9的值分别为10 kΩ、35.1 kΩ。

图6 隔离6 V 转隔离5.5 V 原理图

1.2 共模电压调节模块设计

1.2.1 共模电压调节电路设计

信号电平的共模电压可由数模转换器(DAC)实现，通过STM32 改变DAC 内部寄存器的数字量实现模拟电压的调节。为了可以获取精度高、噪声低的共模电压，选用了乘法DAC。

办事警员说，王先生请冷静，我们考虑到遇难家属的心情，当然这种心情可疑理解，我们认为暂不合适双方见面，再说，高速公路上是不允许停车的。是的，你妻子所在的轿车就停在路边，虽然是车辆较少的路段，但是那也是违法的。况且，没有放置紧急安全提醒标识。出事后，这辆山西籍的货车司机，参与了救治，你的妻子就是他们送来的。

ONET1101L 采用的是I2C 通信。图4 所示的典型时序图描述了完整的数据传输过程[4]。

乘法数模转换器(DAC)与常规固定参考信号DAC 的区别在于，前者能够工作于任意或交流参考信号，是一个低噪声、高精度的DA 转换器。但其输出的是电流信号，而非电压信号，需要通过电流－电压转换运放来实现电压输出。其连接示意图如图7所示。

图7 乘法DAC 原理图

VDD为电源端，VREF为参考电压端，RFB为内部反馈电阻用于调节输出电压。STM32 通过CLK、SDI与DAC 相连控制IOUT电流大小。IOUT结点电流流向接至虚拟地，因而输出尖峰电压极低，C5为补偿电容稳定输出的电压[7]。当输出为单极性时，由式(5)可得输出电压为:

通过图2信息可确定，工程信息评估框架主要包括移民生产水平评估、生活水平评估、基础设施评估、移民满意度评估、后续发展评估及资金拨付评估6项内容。其中，移民生产水平评估主要包括对水库周围乡镇村民土地资产、固定资产、劳动力信息包括就业情况等信息评估。

式中:n为DAC 的位数，D为STM32 配置DAC 内部寄存器的数值。

共模调节电路使用的乘法DAC 选用的是Analog Devices 公司的16 位数模转换器AD5534，该器件具有低噪声、低功耗等特点。AD5543 使用3 线式(CS、SDI、CLK)串行数据接口。串行数据以16位字格式逐个写入到AD5543 内部寄存器中。乘法DAC 电路性能很大程度取决于所选运算放大器的性能，从而使得在阶梯输出端保持零电压，并实现电流电压转换。为了达到最佳的直流精度，要选择具有低失调电压和偏置电流的运算放大器，以保持误差与DAC 的分辨率相当。电路上选用AD8397 运放作为电流电压转换器，该器件失调电压最大1 mV，偏置电流最大为200 nA，其输出电压范围为－12 V～12 V，由图2 可得经过100 Ω 电阻分压到负载(50 Ω)上的共模电压值为－4 V～4 V，满足电平信号共模电压值的输出需求[8]。

由于共模电压值为双极性输出摆幅，可通过将额外U4 外部放大器配置为求和放大器来实现，如图8 所示。在此电路中R10、R11和R12电阻调节求和放大器的输入电压，C6用于补偿DAC 内部输出电容在开环响应中引入的极点，保证输出电压稳定，C7用于相位补偿，防止出现零点自激。第二个放大器U4 提供了2 倍的增益，将输出范围幅度提高到24 V[9]。利用12 V 偏置电压使外部放大器偏置，便可实现四象限乘法电路。则输出电压公式可表示为，当输入数据(D)从零码(VOUT＝－12 V)递增至半量程(VOUT＝0 V)，再递增至满量程(VOUT＝＋12 V)时，就会产生正负输出电压。输出电压值如下所示:

图8 电平共模信号产生原理图

VOUT为输出电压，VREF为参考电压，D为16 位数据的值，由STM32 控制写入。

则最终输出信号的高低电平分别为:

由式(6)可得V共输出的电压范围为－12 V～12 V，由图2 可得V共经100 Ω 电阻分压后，负载(50 Ω)的电压为V共的三分之一，则与差模耦合之后的实际共模电压为－4 V～4 V，差模电压的最大值为1.9 V，代入式(7)可得电平VH的输出范围为－2.1 V～4.95 V，VL的输出范围－4.95 V～3.05 V。

王 颖 女,1979年8月出生,天津人,硕士,讲师,毕业于燕山大学,主要研究方向为无线传感器网络,优化算法.

1.3.2 STM32 程序设计

AD5543 是16 位数模转换器用于调节电平的共模电压值，采用5 V 单电源供电，该芯片与控制芯片的通信过程相对于ONET1101L 通信简单。串行数据接口利用串行数据输入(SDI)、时钟(CLK)和芯片选择引脚，实现了三线式控制输入，STM32在向AD5543 写入数据时，需要先将引脚拉低，然后在CLK 时钟的驱动下，通过SDI 线路向AD5543 芯片写入数据，其时序如图9 所示。

在不断地关注和肯定信息技术的优势后，人们开始回归教育人文关怀的本质，反思在信息化教学中过多关注人机交互造成的师幼间情感缺失。认为“师幼互动所蕴含的教育智慧及人与人之间的信任、鼓励、关怀等温情永远是教育教学的重要组成部分[6]”，教师自身的人格魅力会对幼儿产生积极影响，可以通过语言和体态语去传递情感，形成互动。师幼互动的教学灵活性也可以弥补教学软件固定程式对教学的制约。

图9 AD5543 时序图

1.3 通信机制及通信接口电路设计

1.3.1 基于RS485 主从通信机制

差模和共模电压值的改变需要受外部数据控制，所以设计时保留数据接收端口，用于接收外部传输的数据指令。测试时使用PC 机串口助手通过RS485 转接器将送数据指令发送至数据控制接口，

从机接收到数据后将数据分别写入差模调节电路和共模调节电路中，实现电平信号的差模共模电压调节。

主机与从机的通信协议协议如图10 所示。一帧数据为31 byte，帧头、地址和校验位各为1 byte，数据位28 byte。帧头被用来识别数据帧的开始；帧地址为接受数据的从机地址，RS485 总线上的通信为广播方式，所以每个从机有独立地址，通过地址对比来判断该数据帧是否应该接收；帧中的数据位为实际传输数据，是PC 机下达指令的命令；校验位用于数据帧的校验，通过异或校验的方式来验证数据传输过程中是否出现误码[10]。

图10 传输数据帧结构图

PC 机与STM32 的通信接口采用半双工UART接口，通过异步串行通信方式接收和发送信息。上电后从机处于待机状态，实时监测总线上面是否有数据传输。当检测到数据传输时，STM32 开启串口中断，接受数据并判断该帧数据是否正确，若不正确则需重新发送，通信接口电路连接示意图如图11所示[11]。

屈哨兵：你提了一个十分重要的问题。不论是一个国家、一个地方或一个区域，作为教育行政主管部门，首先就要对本区域、本地区的教育布局有一个整体的认识，这样才能对教育全局进行顶层的政策设计。

护理人员自身的综合职业素养是影响护理工作的重要因素，素养的提升除了要依靠工作中进行经验的积累以外，还要有科学的培训提供支持。培训的内容应该涵盖三个大的方面。

图11 通信结构图

PC 机通过RS485 通信，将数据传给控制差模电压和共模电压的STM32。由于共模电压和差模电压分别使用的是非隔离电源和隔离电源供电，所以使用的通信芯片也分别为非隔离通信和隔离通信的方式。通信接口电路选用Maxim Integrated 厂商的MAX3491，以及Analog Devices 公司的ADM2484E分别作为非隔离和隔离接收端的通信芯片。两个芯片都具有通信速率高、功耗低特点，能够满足电路通信需求。在电路上，两个芯片的接受端和发送端都需要接3.3 V 的上拉电阻，当没有数据发送时总线默认置高，使得总线上电平稳定。不同点在于ADM2484E 需要使用3.3 V 非隔离电压和3.3 V 隔离电压同时供电，并且同时接入公用地和隔离地，其原理图如图12 所示。

图12 差模信号通信接口原理图

2 测试平台搭建及测试结果

可调电平接口电路选择的驱动设备为美国是德科技生产的81134A。该设备是一个输出频率范围为15 MHz～3.35 GHz 脉冲信号发生器，具有地抖动、快速上升时间及延迟调制功能[12]。可以自定义设置所需驱动信号的频率和电平。差模电路选择低电平1.07 V 高电平1.43 V 的电平信号作为驱动信号，驱动信号频率可在81134A 允许输出范围内任意设置。

测试仪器设备选用是德科技的86100D 示波器，搭建测试平台进行功能验证与测试。由于示波器能测量的最大峰峰值为800 mV，为了保护示波器，故使待测信号进入示波器前衰减了20 dB，同时在示波器上通道模式选择20 dB 衰减模式通过软件来补偿。测试平台搭建效果如图13 所示。

图13 测试平台搭建

在搭建好测试平台之后，系统上电之后使用PC机通过串口向STM32 分别发送数据，STM32 在接收到数据之后分别将数据写入AD5543 和ONET1101L芯片，然后设置81134A 设备的输出驱动信号为LVPECL 电平和驱动频率，打开该设备输出通道给系统提供驱动信号，用示波器观测测试结果。然后改变驱动信号的驱动频率，观察不同驱动频率下所输出的电平信号。

从总体发展变化来看，2005—2015年，海南省的旅游经济与生态环境系统的耦合度和耦合协调度呈现出先增长后持续稳定发展的态势；分阶段来看，2005—2007年为耦合协调发展的较低水平阶段，这一时期海南省旅游业的活力并没有得到充分的发挥，同时较好的生态环境为旅游业发展提供了良好的基础和保障；2007—2015年为耦合协调发展磨合适应阶段，这一时期海南省旅游业的活力得到了进一步的释放，但生态环境的质量呈现下降的趋势，不过从2015年开始出现小幅上升趋势，表明这两个系统之间正向促进的积累效应开始显现。

由于可测试电平数据的数量较大，本文只记录了测试中的LVDS 电平部分频率信号的波形图像如图14 所示。记录了LVDS 电平、RS485 电平和ECL电平部分频率的数据。测试数据的理论值如表1 所示，测试值如表2 所示。

表1 测试电平理论值

表2 测试结果

图14 不同频率下输出的LVDS 电平信号

由于电路板输出端同测试设备连接的传输线带宽有限，所以当频率越高时信号被滤除的高次谐波分量越多，测试时当频率大于2.5 GHz 时，波形趋向于正弦信号。测试数据与标准电平值相比，误差均在5 mV 以内，波形稳定，上升时间均小于100 ps，波形具有可靠性。

3 结论

本文介绍了一种高精度可调电平接口电路的设计过程，对其主要部分的硬件电路设计进行了详细论述。本设计通过PC 机来控制所需要的电平信号，通过通信芯片将数据传送给STM32，来实现共模信号和差模信号的调节。通过两个不同的参考地平面解决了信号的共差模耦合问题。在不同的频率点处测试了LVDS、RS485、PECL 电平，经数据和波形分析可得电平信号具有较高的可靠性。