基于跨导型放大器的程控电容模拟模块制造技术

本实用新型专利技术提出一种基于跨导型放大器的程控电容模拟模块。该程控电容模拟模块利用标准计量电容作为基准电容，利用跨导运算放大器结合比例调节实现电容的等效容抗倍增与衰减；在基准电容跨导型运算放大器输出与电容反馈放大器之间增加一级比例调节，通过乘法器实现电容模拟输出端与DA端电压的乘法关系从而实现程控电容比例环节的放大与衰减。本实用新型专利技术提高了输出电容模拟的精度及电容输出的连续性，减小了电容模拟器的体积与重量。

Programmable Capacitance Analog Module Based on Transconductance Amplifier

The utility model proposes a programmable capacitance analog module based on a transconductance amplifier. The programmable capacitance analog module uses standard metering capacitor as reference capacitor, uses transconductance operational amplifier combined with proportional adjustment to realize capacitance equivalent capacitance reactance multiplication and attenuation; adds a first-order proportional adjustment between the output of transconductance operational amplifier and capacitance feedback amplifier, and realizes the multiplier relationship between analog output terminal of capacitance and the voltage of DA terminal by multiplier. Amplification and attenuation of programmable capacitor proportional link. The utility model improves the accuracy of the output capacitance simulation and the continuity of the output capacitance, and reduces the volume and weight of the capacitance simulator.

【技术实现步骤摘要】
基于跨导型放大器的程控电容模拟模块
本技术涉及一种程控电容模拟模块。
技术介绍
双通道程控电容模拟器用于仿真实际电容式液位传感器的工作原理。单套设备共有两个电容模拟通道，每一个电容模拟通道都含有1路激励输入和1路电容模拟输出。电容模拟通道模拟现实的电容传感器的工作状态，当外部激励加在不同容量的电容上时，会在电容上输出一个对应的信号。设备完全模拟真实电容特性，通过标准协议设置模拟电容器的容值大小。双通道程控电容模拟器利用有源器件模拟，通过上位机发送控制指令设定电容模拟器输出需要模拟的电容值的大小，但模拟器实际等效输出为真实电容的容抗特性，因此对于其测试只能利用数字电桥的串联容抗测试法去检测实际的电容模拟器的容抗输出，不能采用并联测试法测试，不能应用于通用领域的电容充放电的模拟。目前，常规的程控式电容模拟器电路结构一般包含两部分：1.电容输出控制部分；2.电容模拟部分。电容输出控制部分利用上位机串口发送控制指令，设定电容模拟器输出需要模拟的电容值的大小(其电容输出最小精度由编码的标准电容最小值决定)，电容模拟部分采用特定编码形式将不同规格的标准电容用继电器级联，利用控制指令切换继电器的级联方式实现等效电容的输出，其输出电容精度由最小电容决定(精度值一般为：1pF)，适合于通用电容模拟的场合。普遍存在电容模拟的精度不高、体积较大、输出电容模拟不连续等问题(采用继电器切换标准电容的级联方式实现电容模拟输出，即为多档位连续切换)。
技术实现思路
本技术提出一种基于跨导型放大器的程控电容模拟模块，旨在提高输出电容模拟的精度及电容输出的连续性。本技术的解决方案如下：该基于跨导型放大器的程控电容模拟模块，包括电容模拟部分和程控比例调节部分；所述电容模拟部分包括依次设置的模拟电容输入输出端子、基准电容、跨导型运算放大器和反馈放大器，通过所述跨导型运算放大器将基准电容的电容特性转换为跨导型运算放大器的输出电压特性；所述程控比例调节部分介入跨导型运算放大器与反馈放大器之间，程控比例调节后的电压经反馈放大器反馈至所述基准电容；所述程控比例调节部分包括数字处理单元、DA变换单元和乘法器单元；所述数字处理单元用于接收上位机指令，将指令转化输出至DA变换单元；乘法器单元的第一输入端作为程控信号输入端接DA变换单元的输出端，乘法器单元的第二输入端接所述跨导型运算放大器的输出端，乘法器单元的输出端接所述反馈放大器的输入端。进一步的，所述跨导型运算放大器与乘法器单元之间，还设置有电压跟随器U9，用于阻抗变换。进一步的，所述数字处理单元、DA变换单元、乘法器单元和模拟电容输出模块所需低压直流电源可均由同一系统电源模块提供。进一步的，所述系统电源模块的较佳结构形式是：采用DC/DC模块，并配置低压差线性稳压器(LDO)。进一步的，所述基准电容采用标准计量电容。进一步的，数字处理单元可通过RS485接口与上位机通讯，并采用隔离芯片实现接口隔离。本技术具有以下有益效果：1.提高了输出电容模拟的精度及电容输出的连续性。电容模拟输出部分采用线性模拟器件实现，这样，利用上位机连续发送指令改变模拟乘法器的比例值，便可实现动态连续性电容输出，因此该程控电容模拟模块可应对高精度(精度值：0.0153pF)、动态连续性电容模拟输出的场合。利用16位DA+模拟乘法器与1000pF标准电容可实现1000/65535pF的电容精度。2.减小了电容模拟器的体积与重量。双通道程控电容模拟器的设计重在优化电容模拟输出部分，改变以往常规的继电器级联切换的方式，常规程控电容模拟器单通道输出65535pF的电容且精度为0.01pF，采用8421编码级联需要16*3个继电器，16*3个标准电容，双通道则需要32*3个继电器，32*3个标准电容，即使存在需要的标准电容且能实现与本设计同等精度的电容模拟器，其体积和重量远远大于几片运算放大器的体积与重量。3.采用工业级及以上的芯片可应对宽范围的温度等级，不会出现因温度变化带来的电容输出变化。4.本技术还进一步对主要电路单元的具体电路结构进行了优化，更加简明、可靠地实现了在系统中的相应功能。附图说明图1为本技术的系统架构框图。图2为乘法器+模拟电容输出部分的框图。图3为超低纹波DC/DC原理图。图4为TPS7A47-LDO+12V输出原理图。图5为TPS7A33-LDO-12V输出原理图。图6为基于ADM2587的低压差差分485通讯原理图。图7为中央处理器MCU及其相关配置电路结构图。图8为地址选择编码器原理图。图9为双路DA变换原理图。图10为一通道乘法器原理图。图11为一通道电容模拟原理图。图12为二通道乘法器原理图。图13为二通道电容模拟原理图。具体实施方式该基于跨导型放大器的程控电容模拟模块主要分为系统电源模块、电容模拟部分和程控比例调节部分。其中程控比例调节部分主要由数字处理单元、DA变换单元和乘法器单元组成；相关接口包括4路SMA端子(对应于两路激励输入、电容模拟输出，相当于模拟两个电容，每个电容有两个管脚)，RS485通讯端口以及DC9-36V插座。系统架构如图1所示。该基于跨导型放大器的程控电容模拟模块的核心如图2所示，利用标准计量电容作为基准电容，利用跨导运算放大器结合比例调节实现电容的等效容抗倍增与衰减。在基准电容跨导型运算放大器输出与电容反馈放大器之间增加一级比例调节，通过乘法器实现电容模拟输出端与DA端电压的乘法关系从而实现程控电容比例环节的放大与衰减。数字处理单元通过系统总线接收上位机控制指令，以相应的算法处理指令并通过底层处理器IO输出至DA变换单元，指令数据转换为模拟量；四象限模拟乘法器将DA转换的模拟量与电容模拟部分前段特性输出相乘，将结果输出电容模拟部分后端。电容模拟部分共分为两段：一段：基于基准电容的跨导型放大，利用跨导型运算放大器将基准电容的电容特性转换为跨导放大器的输出电压特性。二段：将上一级乘法型数模转换输出作为比例环节插入到电容模拟电路一段之后，用于控制跨导型运算放大器的电压输出经反馈放大器反馈至基准电容，从而实现基准电容的程控放大与衰减，模拟电容的等效容抗输出。下面对各主要电路单元作具体示例说明：1.系统电源模块：电源端的纹波会影响整个系统的输出精度，因此系统电源选用超低纹波电源DC/DC模块作为整个系统的供电，结合二次LDO进一步控制电源纹波，以保证整个系统的输出精度。其实现原理如图3、图4以及图5所示。为满足双通道程控电容模拟器的供电要求，系统电源接口选用VH3.96-6P电源端子，电源选用汇众DCDC低纹波线性隔离电源，输入DC9-36V，输出±15V—500mA，纹波Vrms<50mV,Vp-p<100Mv。每个双通道程控电容模拟器自带TI公司LDO芯片TPS7A47、TPS7A33芯片，该芯片支持外部可编程电压输出，可以实现将DC±12V→DC±40V的直流电源转换为系统所需要的±12V直流。2.数字处理单元：基于STM32的中央处理器，主要完成上位机指令接收，上位机指令通过RS485标准协议将控制指令下发至双通道程控电容器，数字处理部分将指令按照内部约定协议接收并将指令转化输出至DA变换器。双通道程控电容模拟器采用标准RS48本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于跨导型放大器的程控电容模拟模块，其特征在于：包括电容模拟部分和程控比例调节部分；所述电容模拟部分包括依次设置的模拟电容输入输出端子、基准电容、跨导型运算放大器和反馈放大器，通过所述跨导型运算放大器将基准电容的电容特性转换为跨导型运算放大器的输出电压特性；所述程控比例调节部分介入跨导型运算放大器与反馈放大器之间，程控比例调节后的电压经反馈放大器反馈至所述基准电容；所述程控比例调节部分包括数字处理单元、DA变换单元和乘法器单元；所述数字处理单元用于接收上位机指令，将指令转化输出至DA变换单元；乘法器单元的第一输入端作为程控信号输入端接DA变换单元的输出端，乘法器单元的第二输入端接所述跨导型运算放大器的输出端，乘法器单元的输出端接所述反馈放大器的输入端。

【技术特征摘要】
1.基于跨导型放大器的程控电容模拟模块，其特征在于：包括电容模拟部分和程控比例调节部分；所述电容模拟部分包括依次设置的模拟电容输入输出端子、基准电容、跨导型运算放大器和反馈放大器，通过所述跨导型运算放大器将基准电容的电容特性转换为跨导型运算放大器的输出电压特性；所述程控比例调节部分介入跨导型运算放大器与反馈放大器之间，程控比例调节后的电压经反馈放大器反馈至所述基准电容；所述程控比例调节部分包括数字处理单元、DA变换单元和乘法器单元；所述数字处理单元用于接收上位机指令，将指令转化输出至DA变换单元；乘法器单元的第一输入端作为程控信号输入端接DA变换单元的输出端，乘法器单元的第二输入端接所述跨导型运算放大器的输出端，乘法器单元的输出端接所述反馈放大器的输入端。2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博，何榧，周少峰，张静鹏，鲁朋飞，姚兵，
申请(专利权)人：西安翔迅科技有限责任公司，
类型：新型
国别省市：陕西,61