一种供电和调谐电源装置的校准方法

摘要

本发明提出了一种供电和调谐电源装置的校准方法，校准系统包括供电和调谐电源装置、计算机、程控多路开关，在电源装置内置AD电压采集模块，采用两级数模转换DAC组合调节电源输出电压，通过粗调DAC调节电压输出范围，通过精调DAC进行舍入误差补偿；校准过程中将电压输出划分为多个输出范围，每一范围内进行分别校准；通过校准多个点得到电压、粗调DAC值N1、精调DAC值N2的数组{Vi，N1i，N2i}，采用切比雪夫曲线拟合，可以得到一个曲线方程，通过曲线方程设置计算DAC值。

权利要求

1.一种供电和调谐电源装置的校准方法，其特征在于，校准系统包括供电和调谐电源装置、计算机、程控多路开关，在电源装置内置AD电压采集模块，采用两级数模转换DAC组合调节电源输出电压，通过粗调DAC调节电压输出范围，通过精调DAC进行舍入误差补偿；

校准过程中将电压输出划分为多个输出范围，每一范围内进行分别校准；通过校准多个点得到电压、粗调DAC值N1、精调DAC值N2的数组{Vi，N1i，N2i}，采用切比雪夫曲线拟合，可以得到一个曲线方程，通过曲线方程设置计算DAC值；

在曲线拟合过程中，单点采集采用两级DAC组合调节，两级DAC分别采用一个粗调DAC和一个精调DAC组合；粗调DAC处于主导地位，精调DAC是在粗调DAC的基础上对粗调DAC的舍入误差进行补偿；

粗调DAC计算流程具体如下：

步骤(11)，要求输出的电压参数为V，首先校准粗调DAC，在校准之前先固定精调DAC值记为一固定值ExactN；

步骤(12)，设粗调DAC校准电压分别为V1校，校准时调整粗调DAC，当输出电压约等于V1校时，记下DAC值CoarN1和对应的实际电压值CoarV1；

步骤(13)，设粗调DAC校准电压分别为V2校，校准时调整粗调DAC，当输出电压约等于V2校时，记下DAC值CoarN2和对应的实际电压值CoarV2；

步骤(14)，按照CoarV1、CoarV2、CoarN1、CoarN2的线性关系计算粗调DAC值为N1，N1＝(V-CoarV1)*(CoarN2-CoarN1)*(CoarV2-CoarV1)+CoarN1。

2.如权利要求1所述的一种供电和调谐电源装置的校准方法，其特征在于，精调DAC计算流程具体如下：步骤(21)，在校准之前先固定粗调DAC值记为一固定值CoarN；

步骤(22)，置精调ExactN为一固定值，在ExactN的基础上，分别上下偏移固定偏移值offsetN，记(ExactN-offsetN)为ExacN1，对应的电压记为ExacV1；

步骤(23)，(ExactN+offsetN)为ExacN2，对应的电压记为ExacV2，计算出精调DAC的灵敏度系数S，其中，S＝(ExacV2-ExacV1)/(ExacN2-ExacN1)，单位为(V/bit)；

步骤(24)，给定需要补偿的电压值ΔV和S，计算精调DAC的变化量，精调DAC最终值为N2＝ExactN+ΔV/S。

3.如权利要求1所述的一种供电和调谐电源装置的校准方法，其特征在于，所述粗调DAC为16位。

4.如权利要求1所述的一种供电和调谐电源装置的校准方法，其特征在于，所述精调DAC为12位。

说明书

一种供电和调谐电源装置的校准方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电源领域，特别涉及一种供电和调谐电源装置的校准方法。

背景技术

[0002] 电源装置主要用于对被测设备进行供电。在航空、航天和高速数字通信行业中，需要宽范围高精度的电源装置对VCO、YTO等调谐振荡器件进行供电。在测量VCO、YTO振荡器输出频率、功率、相位噪声指标时，要求供电模块具有较高的电压输出范围和输出分辨率。

[0003] 传统方式的电源经过DC-DC模块转换后，通过调节模转换DAC改变输出电压，在设置DAC值时，DAC参数值只能精确到整数，小数范围内的设置不会有效，这样会损失小数部分，造成调节电压的舍入误差。另一方面，对于大的动态范围的电压输出，例如从负的几十伏到正的几十伏电压输出，DAC的非一致性也会导致测量误差。这种方式并不能保证测量精度，因此对于电压指标要求较高的场合并不能满足要求。

[0004] 为了提高输出电压的准确度，常常需要对电源装置进行校准。校准过程中，校准装置需要外接电压表或者六位半电压计等测量仪器监测电压装置的输出电压。校准分为手动校准和自动校准两种方式。

[0005] 采用手工的方式进行校准时，一般是按照电压输出的范围，选择电压输出的两个端点，不断调节数模DAC值，直到输出电压满足目标值。这时，记录下两个端点的DAC值和电压值，输出电压按照线性关系计算DAC值调节电压输出，使其满足指标要求。

[0006] 采用手工的方式进行校准，首先，这种方式当校准点较多时，会增加工作量。其次，实际上电压值和实际的DAC参数之间并不是严格的满足线性关系，以线性方式进行的校准，并不能满足电压输出的准确度要求。

[0007] 另一种校准方法是自动校准，即采用程控的方式由计算机、电源装置、电压测量通过电缆连接起来，这种方相对于手动校准，减轻了工作量，但是在校准设备上，需要额外的增加电压测量装置，在没有开机或者装置封闭的情况下，就无法实施正常的校准。

[0008] 传统方法设置数模转换DAC调节输出电源电压，这种方法认为电压输出和DAC值满足一定的线性关系，而在实际上由于电压输出的范围和环境的变化，这种线性关系并不严格成立。这种方法对于电压输出分辨率较高的场合不能满足准确度要求。

[0009] 采用手动校准的方式调节输出电压，这种方式工作量大，并且校准过程容易出错，如果当电源装置批量生产的时候，手动校准费时费力。

[0010] 在通过DAC校准输出电压时，往往需要外置一个电压测量装置，如万用表或者六位半电压计。这种方式在校准时会额外增加测量仪器，增加了成本，且外置装置测量电压时，由于外置设备的分压，导致测量电压不准确，直接影响校准的准确度。

发明内容

[0011] 为解决上述现有技术的不足，本发明提出了一种供电和调谐电源装置的校准方法。

[0012] 本发明的技术方案是这样实现的：

[0013] 一种供电和调谐电源装置的校准方法，校准系统包括供电和调谐电源装置、计算机、程控多路开关，在电源装置内置AD电压采集模块，采用两级数模转换DAC组合调节电源输出电压，通过粗调DAC调节电压输出范围，通过精调DAC进行舍入误差补偿；

[0014] 校准过程中将电压输出划分为多个输出范围，每一范围内进行分别校准；通过校准多个点得到电压、粗调DAC值N1、精调DAC值N2的数组{Vi，N1i，N2i}，采用切比雪夫曲线拟合，可以得到一个曲线方程，通过曲线方程设置计算DAC值。

[0015] 可选地，在曲线拟合过程中，单点采集采用两级DAC组合调节，两级DAC分别采用一个粗调DAC和一个精调DAC组合；粗调DAC处于主导地位，精调DAC是在粗调DAC的基础上对粗调DAC的舍入误差进行补偿。

[0016] 可选地，粗调DAC计算流程具体如下：

[0017] 步骤(11)，要求输出的电压参数为V，首先校准粗调DAC，在校准之前先固定精调DAC值记为一固定值ExactN；

[0018] 步骤(12)，设粗调DAC校准电压分别为V1校，校准时调整粗调DAC，当输出电压约等于V1校时，记下DAC值CoarN1和对应的实际电压值CoarV1；

[0019] 步骤(13)，设粗调DAC校准电压分别为V2校，校准时调整粗调DAC，当输出电压约等于V2校时，记下DAC值CoarN2和对应的实际电压值CoarV2；

[0020] 步骤(14)，按照CoarV1、CoarV2、CoarN1、CoarN2的线性关系计算粗调DAC值为N1，N1＝(V-CoarV1)*(CoarN2-CoarN1)*(CoarV2-CoarV1)+CoarN1。

[0021] 可选地，精调DAC计算流程具体如下：

[0022] 步骤(21)，在校准之前先固定粗调DAC值记为一固定值CoarN；

[0023] 步骤(22)，置精调ExactN为一固定值，在ExactN的基础上，分别上下偏移固定偏移值offsetN，记(ExactN-offsetN)为ExacN1，对应的电压记为ExacV1；

[0024] 步骤(23)，(ExactN+offsetN)为ExacN2，对应的电压记为ExacV2，计算出精调DAC的灵敏度系数S，其中，S＝(ExacV2-ExacV1)/(ExacN2-ExacN1)，单位为(V/bit)；

[0025] 步骤(24)，给定需要补偿的电压值ΔV和S，计算精调DAC的变化量，精调DAC最终值为N2＝ExactN+ΔV/S。

[0026] 可选地，所述粗调DAC为16位。

[0027] 可选地，所述精调DAC为12位。

[0028] 本发明的有益效果是：

[0029] (1)传统方法设置数模转换DAC调节输出电源电压，这种方法认为电压输出和DAC值满足一定的线性关系，而在实际上由于电压输出的范围和环境的变化，这种线性关系并不严格成立。这种方法对于电压输出分辨率较高的场合不能满足准确度要求，本发明采用粗调和精调两级数模转换DAC，粗调DAC处于主导地位，输出电压主要由其产生，精调DAC是在粗调DAC的基础上对粗调DAC的舍入误差进行补偿，通过这种方法提高了输出电压准确度。

[0030] (2)采用手动校准的方式调节输出电压，这种方式工作量大，并且校准过程容易出错，如果当电源装置批量生产的时候，手动校准费时费力。本发明采用程控的方式，使仪器自动校准，提高了工作效率，满足大规模批量生产的要求。

[0031] (3)在通过DAC校准输出电压时，往往需要外置一个电压测量装置，如万用表或者六位半电压计。这种方式在校准时会额外增加测量仪器，增加了成本，且外置装置测量电压时，由于外置设备的分压，导致测量电压不准确，直接影响校准的准确度。本发明采用内置的高精度AD采集、计算电压，由于霍尔效应，不会导致电压分压，采集的电压准确度高。

附图说明

[0032] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0033] 图1为本发明的校准系统的结构示意图；

[0034] 图2为本发明的电源装置的结构示意图；

[0035] 图3为本发明的粗调DAC计算流程图；

[0036] 图4为本发明的精调DAC计算流程图。

具体实施方式

[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 供电和调谐电压输出的准确度是电源的一个重要指标，将直接影响被测器件输出频率，通过校准可以提高电压输出准确度。传统方法中对电压的校准是通过手动方式，即通过选取一个电压范围中两个端点的电压值，通过手工不断调整数模转换DAC值，使某一范围的输出电压值满足精度要求。如果系统的电压输出范围较宽，通过校准电压输出的两个端点，由于输出电压的非线性会导致电压输出不满足要求，如果将电压范围划分为多段，就会增加校准点数，这种方法在批量校准条件下会增加巨大的工作量。

[0039] 鉴于以上原因，本发明采用程控的方式，由校准程序自动完成校准过程。如图1所示，本发明的校准系统包括供电和调谐电源装置、计算机、程控多路开关，电源装置和计算机之间采用标准的SPI总线接口进行通讯，在电源装置内置AD电压采集模块，由于霍尔效应，AD电压采集模块不会分压，提高了电压采集的准确度，同时这种方案无需增加其它附加设备，便可以对多台电源装置进行自动校准。

[0040] 电源装置主要功能是为外部被测器件，例如VCO，YTO等调谐振荡器提供供电和调谐电源。对于高精度的振荡器测试需求，要求电源应该满足较低的相位噪声和很高的输出分辨率，本发明电源装置的原理框图如图2所示，采用两级数模转换DAC组合调节电源输出电压的设计方法，通过粗调DAC调节电压输出范围，通过精调DAC进行舍入误差补偿，通过粗调DAC和精调DAC组合使最终输出电压满足高精度要求。

[0041] 电源输出分为两级，分别为供电电压输出和调谐电压输出。输入电源经电感和电容滤波后提供给DC-DC电源变换模块，电源经过大感值和大容值的滤波电路之后可以有效抑制近端差模噪声。所用的DC-DC电源变换模块可以将输入与输出之间进行隔离，可以有效避免输入电源地上的噪声传递到后端电路。采用两级结构的粗调模数转换DAC和精调模数转换DAC的数模转换，可以有效提高输出电源的分辨率。驱动滤波部分采用了共模与差模组合的噪声抑制电路可以进一步减小输出噪声。

[0042] 为了提高电压输出的准确度，需要对电源装置进行校准，通过调节DAC的值记录输出电压，最终根据DAC值和输出电压的关系设置DAC的值，得到需要的电压。传统方法在校准过程中需要外置测量电压的装置，例如万用表或者6位半等测量仪器，这种方式由于外部器件分压导致电压测量不准确。本发明为了方便校准，电源装置内置了AD电压采集模块，该模块内置于电压输出之前，可以同步采集电源装置的输出电压，由于霍尔效应，供电电压不会分压，避免了电压的损失，提高了测量精度。

[0043] 基于上述校准系统，为了满足大动态范围电压输出的要求，本发明的校准过程中将电压输出划分为多个输出范围，每一范围内进行分别校准。

[0044] 校准中采用切比雪夫(Chebyshev)曲线拟合算法修正因电压和DAC参数之间非线性而导致的误差。

[0045] 另外，在曲线拟合过程中，为了使曲线光滑，需保证采集点正确。单点采集采用两级DAC组合调节的设计方法，两级DAC分别采用一个16位粗调DAC和一个12位精调DAC组合产生。粗调DAC处于主导地位，输出电压主要由其调节，精调DAC是在粗调DAC的基础上对粗调DAC的舍入误差进行补偿，通过粗调DAC和精调DAC混合使用使最终输出电压既满足电压动态范围大又满足高精度要求。

[0046] 假设，其中一段的电压输出范围为-Vmin到Vmax，每个电压输出电压通过粗调DAC计算和精调DAC计算流程，得到粗调DAC值记为N1和精调DAC值记为N2的数据，这样得到一组{Vi，N1i，N2i}校准点数据，然后通过曲线拟合，得到一组曲线方程，通过曲线方程设置电压输出参数。

[0047] 如图3所示，粗调DAC计算流程具体如下：

[0048] 步骤(11)，假设要求输出的电压参数为V，首先校准粗调DAC，在校准之前先固定精调DAC值记为一固定值ExaetN。

[0049] 步骤(12)，设粗调DAC校准电压分别为V1校，校准时调整DAC，当输出电压约等于(误差范围为±0.5V)V1校时，记下DAC值CoarN1和对应的实际电压值CoarV1。

[0050] 步骤(13)，设粗调DAC校准电压分别为V2校，校准时调整DAC，当输出电压约等于(误差范围为±0.5V)V2校时，记下DAC值CoarN2和对应的实际电压值CoarV2。

[0051] 步骤(14)，按照CoarV1、CoarV2、CoarN1、CoarN2的线性关系计算粗调DAC值为N1，N1＝(V-CoarV1)*(CoarN2-CoarN1)*(CoarV2-CoarV1)+CoarN1。

[0052] 本发明使用实际电压CoarV1和CoarV2，而不使用V1校和V2校进行计算，这样可以去除DAC分辨率所引入的微小误差。

[0053] 如图4所示，精调DAC计算流程具体如下：

[0054] 上述过程在计算粗调DAC值时，计算得到的N1值，在进行设置时，只能精确到整数，这样便造成小数ΔN的损失，为了对小数ΔN损失补偿，采用精调DAC对其补偿。

[0055] 步骤(21)，在校准之前先固定粗调DAC值记为一固定值CoarN。

[0056] 步骤(22)，置精调ExactN为一固定值，在ExactN的基础上，分别上下偏移固定偏移值offsetN(例如1000)，记(ExactN-offsetN)为ExacN1，对应的电压记为ExacV1。

[0057] 步骤(23)，(ExactN+offsetN)为ExacN2，对应的电压记为ExacV2，根据它们即可计算出精调DAC的灵敏度系数S。

[0058] 其中，S＝(ExacV2-ExacV1)/(ExacN2-ExacN1)，单位为(V/bit)。

[0059] 步骤(24)，给定需要补偿的电压值ΔV和S，即可计算精调DAC的变化量，精调DAC最终值为N2＝ExactN+ΔV/S。

[0060] 通过上述粗调DAC和精调DAC的计算过程，可以求出单点电压和数模转换DAC值之间的关系，这种方法的好处是通过粗调和精调DAC调节可以补偿舍入误差，提高电压输出准确度。通过校准多个点得到电压、粗调DAC值N1、精调DAC值N2的数组{Vi，N1i，N2i}，采用切比雪夫曲线拟合，可以得到一个曲线方程，通过曲线方程设置计算DAC值，通过曲线拟合方式减少非线性误差。

[0061] 本发明的校准方法采用粗调DAC和精调DAC组合的方式，粗调DAC保证电压的输出范围，电压输出范围大大扩展，精调DAC保证输出电压的精度。校准参数通过切比雪夫曲线拟合的方式，克服了传统线性方法的非线性误差。

[0062] 而且，本发明采用程控自动校准的方法，克服了手工校准工作量大的问题，使程序自动校准，同时本发明提供的逐次逼近的校准点方法，大大提高了工作效率。

[0063] 本发明还采用了内置AD模数转换器采样技术，可以实时检测电压输出值，由霍尔效应，不会造成电压损失，提高了电压校准精度。无需外置电压测量装置，即可实现电源输出装置的自动校准，节约了硬件成本。

[0064] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。