一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路

1.本发明属于电路设计技术领域，涉及一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路。


背景技术：

2.在可编程约瑟夫森电压标准系统(pjvs)的研制过程中，为了降低量子芯片损坏风险和节约液氦制冷成本，提出了基于可编程串联i-v特性模拟器研发目标。已经实现了约瑟夫森结i-v特性的数值计算方法以及单个i-v特性模拟单元的原型验证。
3.以往的可编程电子负载电路中由于数模转换器和模数转换器的性能限制，电路很难在保证高精度的同时保证较高的响应速度，而实际应用中希望其在短时间内建立准确且稳定的电压值。例如，为了更加还原约瑟夫森结的特性，约瑟夫森子结阵单元模拟器应尽可能提升现有模拟单元性能。
4.近几年，根据约瑟夫森的i-v数值特性已产生对模拟单元的研究与开发，研究过程中发现之前的设计方案使用一个dac与一个adc进行配合，但是，若选择了精度较高的dac转换器将降低单元模拟器的响应速度，若选择了响应速度较快的dac转换器单元模拟器的精度将受限制。当精确度提升时，会损耗掉一定的瞬态响应速度，电压的建立时间会有所延长；而当响应速度有所提升时，精确度将无法保证。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路。
6.本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
7.本发明用于对非线性的电流-电压特性进行模拟，包括模拟单元和主控制器；所述模拟单元包括电流采样模块、高速度电压输出模块、高精度电压补偿模块与同向加法器。
8.所述电流采样模块用于对输入的偏置电流进行采样，将放大后的电压值传输给主控制器。
9.所述高速度电压输出模块用于将主控制器的电压快速输出，该模块构成可编程电子负载电路的前馈部分。
10.所述高精度电压补偿模块用于获得补偿电压值，该补偿电压值通过所述同向加法器与高速电压输出模块的输出电压叠加；该模块构成可编程电子负载电路的反馈部分。
11.本发明的有益效果：该高精度可编程电子负载电路中添加了前馈和反馈控制，电路通过高速度数模转换器前馈控制建立粗测的电压，使电路具有较快的响应速度；通过高精度数模转换器配合pi模块实现反馈控制进行电压补偿，这样的电路设计使得整个电路保证高精度的同时具有较快的响应速度。
附图说明
12.图1为本发明结构框图；
13.图2为本发明实施例电路结构图；
14.图3为原理图。
具体实施方式
15.如图1所示，可编程电子负载电路包括模拟单元、主控制器2与光耦隔离器3，其中主控制器与外部控制器通过光耦隔离器连接，采用6n137高速光耦隔离器，其在电路中起到了输入与输出的完全隔离，提高了信号的抗干扰性，具有高速度、高精度、高隔离电压的特点。
16.所述模拟单元包括电流采样模块1、高速度电压输出模块4、高精度电压补偿模块5与同向加法器6。
17.电流采样模块包含了采样电阻10、差分运放11、模数转换器12，主要对输入的偏置电流进行采样，将放大后的电压值v0传输给主控制器。
18.在一实施例中，如图2所示，采样电阻rs选用0.1ω低温漂的电阻，其作用为将偏置电流io1转化为差分电压；差分运放采用ad8221，通过增益电阻rg配置增益为1000倍，将输入的差分电压信号v0，即rs两端的电压放大1000倍，输入给模数转换器，其增益计算公式为：
[0019][0020]
模数转换器选用8通道双极性，16位数模转换器ad7606，其在数模转换器中具有相对较高的精度以及较高的采样率，保证电压值读取精确度较高的同时也为整个电路的高精度提供了保证。
[0021]
如图1、图2和图3所示，主控制器读取通过模数转换器转化后的电压值，外部控制器输入所要模拟的i-v特性模型，通过光耦隔离器传入到主控制器中存储，主控制器根据偏置电流值io1、放大后的差分电压值v0进行模拟，将计算后的数值同时输出给高速度数模转换器ad5545和高精度数模转换器ad5623，主控制器选用fpga芯片，其具有较高的传输速率，可以为数模转换及模数转换提供高转换速度和精度。
[0022]
高速度电压输出模块包含了一个电压跟随器40和一个高速度数模转换器41，这一部分即为可编程电子负载电路的前馈部分，这一部分的主要要求为：较快的将主控制器的电压输出，先为整个电路建立一个粗测的电压值，这样保证了整个高精度电子负载电路具有了较快的响应速度，因此，要求高速度数模转换器具有较短地电压建立时间，即较小的仿真步长。
[0023]
在一实施例中，如图2所示，高速度数模转换器选用12位数模转换器ad5445，其电压建立时间为80ns，具有较快的电压建立时间。
[0024]
在一实施例中，如图2所示，电压跟随器u3由op37运放搭建，其将高速度数模转换器输出的电压缓冲后电压值vs输入至同向加法器u4，此时电路以较快速度建立一个粗测的电压，通过同向加法器输出初始电压值，等待高精度电压补偿模块进行电压补偿调整最终输出。
[0025]
高精度电压补偿模块包含了比例-积分运算电路(即pi模块50)、模拟开关51、减法器52以及高精度数模转换器53，高精度电压补偿模块在整个电路中实现反馈作用，由于高速度电压输出模块为达到较快的电压建立舍弃掉了一定的精确度，因此该部分电路通过减法器对同向加法器输出的电压vout与具有高精度数模转换器输出的电压vref进行比较，其差值为v1，该差值v1再通过比例-积分运算电路进行反馈运算获得所需要补偿的电压值，该部分电压值后续通过同向加法器与高速电压输出模块叠加再输出，以实现高精度的可编程电子负载电路同时具有较快的响应速度。
[0026]
在一实施例中，如图2所示，高精度数模转换器选用双通道、16位ad5623芯片，其自身具有片内基准电压源为较高地精确度提供了保证，其相对精度可达到
±
1lsb，在数模转换器中具有较高的相对精度。
[0027]
高精度数模转换器输出的电压vref以及同向加法器u4经过缓冲器u5输出的电压值vout，通过由op07c运放搭建的减法器u1，输出的电压值输入到模拟开关s1中，其电压值为：
[0028][0029]
选择r1、r2为相同阻值电阻，阻值为1kω，则有：
[0030]
v1＝vout-vref
[0031]
模拟开关由同向加法器的输出vout控制，当判断需要快速电压已经建立，电路需要电压补偿时，减法器输出的电压值v1通过模拟开关输入到pi模块中，模拟开关s1选用单刀双掷、高速度模拟开关adg1419。其中本例中的pi模块主要由op07c运放u2、电阻r4、电阻r5以及电容c1组成，电阻r4、电阻r5的阻值为1kω，硬件方式实现的调节和运行的速度比软件实现的能更快一些。
[0032]
考虑到保证高精度的同时电路也需要高响应速度，因此，采用pi模块实现，其利用同向加法器u4与电阻r6形成反馈，将电压补偿回总输出电压vout。pi模块的性能主要受限于电容的大小，因此通过电路仿真软件ltspice，对不同容值的情况进行仿真，最终电容c1选择3nf电容，则经过pi模块输出的电压值为：
[0033][0034]
同向加法器由op37运放u4与电阻r7、电阻r6、电阻r8、电阻r9搭建(r6＝r7＝r8＝r9＝r10＝1kω)，将高速电压输出模块快速建立的粗测电压vs与高精度电压模块通过反馈得到的补偿电压值v
pi
叠加，即：
[0035][0036]
选择r6、r7、r9为相同阻值电阻，则有：
[0037]
vout＝vs+v
pi
[0038]
得到最终作为输出的电压值vout。
[0039]
本例中的同向加法器后面还连接一个电压跟随器做缓冲作用，形成所述缓冲器u5，具体采用op37运放搭建。
[0040]
如图1所示，该可编程电子负载电路还包含第一供电系统7和第二供电系统8，第一
供电系统为
±
12v双轨电源，主要为电路中的各个运放供电，保证其正常工作；第二供电系统为3.3v单电源，为主控制器供电。
[0041]
综上，本发明提出的一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，其能够对非线性的电流-电压特性进行模拟，根据输入的偏置电流进行电压输出，提出了一种由两个数模转换器搭建前馈控制电路、pi模块搭建反馈电路的高精度可编程电子负载电路，以保证在输出电压值具有较高精度的同时降低电压建立的时间。约瑟夫森子结阵单元模拟器实际上是受控于输入的偏置电流的电压源，其电压输出符合微波辐射条件下的i-v特性曲线，即可以用于实现可编程约瑟夫森的电压基准。在现有技术中，nist的可编程约瑟夫森系统电压仿真步长可达到2μs，本电路可以用于提升现有模拟单元性能，将其仿真步长缩短至1μs以内，同时可以将其单元模拟器精度从mv量级提升至10～100μv量级。

技术特征：
1.一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，用于对非线性的电流-电压特性进行模拟，其特征在于：包括模拟单元和主控制器；所述模拟单元包括电流采样模块、高速度电压输出模块、高精度电压补偿模块与同向加法器；所述电流采样模块用于对输入的偏置电流进行采样，将放大后的电压值传输给主控制器；所述高速度电压输出模块用于将主控制器的电压快速输出，该模块构成可编程电子负载电路的前馈部分；所述高精度电压补偿模块用于获得补偿电压值，该补偿电压值通过所述同向加法器与高速电压输出模块的输出电压叠加；该模块构成可编程电子负载电路的反馈部分。2.根据权利要求1所述的一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，其特征在于：所述电流采样模块包含采样电阻、差分运放、模数转换器；所述的采样电阻用于对输入的偏置电流转化为差分电压，所述的差分电压经所述差分运放后放大后输入至模数转换器。3.根据权利要求2所述的一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，其特征在于：所述的采样电阻选用0.1ω低温漂的电阻；模数转换器选用8通道双极性，16位数模转换器。4.根据权利要求1所述的一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，其特征在于：所述高速度电压输出模块包含电压跟随器和高速度数模转换器；电压跟随器将高速度数模转换器输出的电压缓冲后输入至同向加法器，此时电路以较快速度建立一个粗测的电压，通过同向加法器输出初始电压值，等待高精度电压补偿模块进行电压补偿调整最终输出。5.根据权利要求4所述的一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，其特征在于：所述高速度数模转换器选用12位数模转换器。6.根据权利要求1所述的一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，其特征在于：所述高精度电压补偿模块包含比例-积分运算电路、模拟开关、减法器以及高精度数模转换器；所述高精度数模转换器输出电压与同向加法器经过缓冲器后输出的电压输入至所述减法器，通过减法器后再输入至所述模拟开关；所述模拟开关由同向加法器控制，当判断需要快速电压已经建立，电路需要电压补偿时，减法器输出的电压值通过所述模拟开关输入至比例-积分运算电路中。7.根据权利要求6所述的一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，其特征在于：所述高精度数模转换器选用双通道、16位高精度数模转换器。8.根据权利要求1所述的一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，其特征在于：所述主控制器读取通过电流采样模块输出的电压值，外部控制器输入所要模拟的i-v特性模型，并传入到主控制器中存储；主控制器根据偏置电流、放大后的差分电压v0进行模拟，将计算后的数值同时输出给高速度电压输出模块和高精度电压补偿模块。9.根据权利要求1至8中任一项所述的一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，其特征在于：还包括光耦隔离器，所述主控制器与外部控制器通过光耦隔离器连接。10.根据权利要求1所述的一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路，其特征
在于：还包含第一供电系统和第二供电系统，第一供电系统为
±
12v双轨电源，主要为电路中的各个运放供电；第二供电系统为3.3v单电源，为主控制器供电。

技术总结
本发明公开了一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路。本发明中的电流采样模块用于对输入的偏置电流进行采样，将放大后的电压值传输给主控制器。高速度电压输出模块用于将主控制器的电压快速输出，该模块构成可编程电子负载电路的前馈部分。高精度电压补偿模块用于获得补偿电压值，该补偿电压值通过所述同向加法器与高速电压输出模块的输出电压叠加；该模块构成可编程电子负载电路的反馈部分。本发明添加了前馈和反馈控制，通过高速度数模转换器前馈控制建立粗测的电压，使电路具有较快的响应速度；通过高精度数模转换器配合PI模块实现反馈控制进行电压补偿，使得整个电路保证高精度的同时具有较快的响应速度。路保证高精度的同时具有较快的响应速度。路保证高精度的同时具有较快的响应速度。


技术研发人员：金宛琪 富雅琼 孙坚 钱璐帅
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/4