雷 宇，焦新程，郭 浩，王云琦，鄧凱倫，寇軍超

(中國石油集團(tuán)東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

目前勘探儀器使用的電源多為開關(guān)電源，具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、自身抗干擾性強(qiáng)、電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。但開關(guān)電源由于其開關(guān)管工作于高頻狀態(tài)，輸出的紋波和噪聲較大，會(huì)影響勘探儀器系統(tǒng)的整體信噪比及采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。產(chǎn)生電源紋波和噪音的因素有很多，即使使用電池供電也會(huì)因負(fù)載的波動(dòng)而產(chǎn)生，在工程上一般并不刻意去把它們分開，需要對紋波和噪聲的合成干擾采取有效控制措施[1]。為此本文提出了一種低紋波、低噪音輸出的電源設(shè)計(jì)，輸出電流可以達(dá)到3 A，輸出電壓可以在1.5～9.7 V之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 總體設(shè)計(jì)

為了降低電源的干擾，本設(shè)計(jì)使用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)進(jìn)行電壓輸出，保證電源輸出噪音在微伏級(jí)別，滿足了弱信號(hào)采集的供電需求。輸入電壓為12 V直流電壓， LDO的輸入及輸出壓差越大，LDO內(nèi)部調(diào)節(jié)單元電路的電壓損失越大，所以功耗越大，效率越低，芯片發(fā)燙，易損壞。為了降低系統(tǒng)的功耗及噪音，LDO的輸入輸出電壓差值需要控制在一定的范圍內(nèi)。首先,通過開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)輸入到LDO的電壓1.7～10 V可調(diào)，再通過LDO實(shí)現(xiàn)1.5～9.7 V輸出低紋波電壓，保證LDO輸入輸出的低壓差[2]。

電壓的調(diào)節(jié)通過單片機(jī)控制數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)使用串口控制輸出電壓。電腦串口輸出電壓為12 V，而單片機(jī)接收的串口信號(hào)電壓為3.3 V，需要使用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片max232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。串口控制輸出電壓設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 串口控制輸出電壓設(shè)計(jì)框圖

2 電路設(shè)計(jì)

本方法中采用微控制器MSP430F149作為控制單元(MCU)，該芯片配置有2個(gè)內(nèi)置16位定時(shí)器、1個(gè)快速12位模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器、1個(gè)比較器、4個(gè)通用串行通信接口(USCI)模塊和高達(dá)48個(gè)輸入/輸出(I/O)引腳。通過它完成數(shù)字電位器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，接收上位機(jī)串口命令[3]。

2.1 開關(guān)電源輸出可調(diào)電壓

本設(shè)計(jì)采用12 V直流電壓作為輸入，開關(guān)電源采用LT8609實(shí)現(xiàn)。LT8609是一款緊湊型高效率、高速同步單芯片降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，非開關(guān)瞬態(tài)電流功耗僅為1.7 μA。LT8609可以提供3 A連續(xù)電流。突發(fā)工作模式可在極低輸出電流下保持高效率，同時(shí)使輸出紋波峰峰值保持在10 mV以下。SYNC引腳支持同步至外部時(shí)鐘，在200 kHz～2.2 MHz間實(shí)現(xiàn)可調(diào)及可同步頻率[4]。LT8609配置電路圖如圖3所示。

輸出電壓Vout由電阻R1及R3決定，計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中：R1電阻值為117 kΩ，R3電阻值為100 kΩ。

圖3 LT8609配置電路圖

通過計(jì)算該電路的輸出電壓約為1.7 V，使用LTspice軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 LT8609 1.7 V電壓輸出仿真圖

為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，保持R1電阻值不變，將R3替換為數(shù)字電位器AD5160BRJZ100，該電位器是一款適合256位調(diào)整應(yīng)用的2.9 mm×3 mm緊湊型封裝解決方案，可實(shí)現(xiàn)與機(jī)械電位計(jì)或可變電阻器相同的電子調(diào)整功能，而且具有390 Ω分辨率、固態(tài)可靠性和出色的低溫度系數(shù)性能，可以實(shí)現(xiàn)60～99.67 kΩ電阻調(diào)節(jié)?？烧{(diào)電源電路圖如圖5所示。

圖5 可調(diào)電源電路圖

通過式(1)計(jì)算，當(dāng)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器電阻值為9.9 kΩ的時(shí)候，輸出電壓為10 V，使用LTspice進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 LT8609 10 V電壓輸出仿真圖

經(jīng)過仿真驗(yàn)證，使用數(shù)字電位器AD5160BRJZ100可以實(shí)現(xiàn)LT8609輸出電壓在1.7～10 V范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足使用需求。

2.2 數(shù)字電位器驅(qū)動(dòng)

AD5160BRJZ100游標(biāo)設(shè)置可通過兼容型數(shù)字接口(SPI)控制, 該器件采用2.7～5.5 V電源供電，使用微控制器MSP430F249進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[5]。

AD5160硬件連接電路圖如圖7所示。

圖7 AD5160硬件連接電路圖

微控制器I/O口驅(qū)動(dòng)AD5160實(shí)現(xiàn)電位器的調(diào)節(jié)，P11模擬時(shí)鐘(CLK)，P10作為數(shù)據(jù)輸出，在時(shí)鐘的上升沿將數(shù)據(jù)從高位到低位送入數(shù)字串行接口(SDI)，舉例P11串行輸出數(shù)據(jù)128，調(diào)節(jié)電位器電阻值為50.06 kΩ。

軟件程序如下：

#define CLK_H P1OUT|=BIT1

#define CLK_L P1OUT&=～BIT1

#define SDI_L P1OUT&=～BIT0

#define SDI_H P1OUT|=BIT0

P1SEL=0X00; //定義P1為通用I/O口

P1DIR=0X03;//定義P1口輸入輸出方向

char data=0x80；

for(int i=0;i<8;i++)

{

CLK_L；

If(data&0x80)SDI_H;

else SDI_L;

CLK_H；

data=data<<1;

} //SDI寫入數(shù)據(jù)128

若要修改SDI寫入數(shù)據(jù)，只需要更改data值，其他部分軟件保持不變。

2.3 低紋波可調(diào)電壓輸出

低電源紋波輸出采用LDO芯片LT3033實(shí)現(xiàn)，該器件是一款超低壓差線性穩(wěn)壓器，可由低至 0.95 V的單輸入電源供電運(yùn)行。該器件提供3 A輸出電流，典型電壓差為95 mV。實(shí)現(xiàn)可調(diào)電壓輸出1.5～9.7 V，輸出電壓噪音有效值≤60 μV,適用于微弱信號(hào)檢測電路的電源部分[6]。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)1.5～9.7 V的輸出可調(diào)電壓，LT3033低紋波電源輸出電路圖如圖8所示。

圖8 LT3033低紋波電源輸出電路圖

LT3033輸出電壓是通過R2以及R3進(jìn)行調(diào)節(jié)的，計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中：輸入電壓為200 mV,R2電阻值為25.5 kΩ，R3電阻值為3.92 kΩ，IADJ電流值為5 nA。

在溫度為25 ℃時(shí)，若輸入電壓為1.7 V，通過公式計(jì)算得出輸出電壓為1.5 V，使用LTspice進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖9所示。若要實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，保持R3電阻值不變，調(diào)整R2，實(shí)現(xiàn)輸出電壓變化，若要達(dá)到9.7 V的輸出，則R2為182.6 kΩ ，輸入電壓為10 V，使用LTspice進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10所示。

圖9 LT3033 1.5 V電壓輸出仿真圖

圖10 LT3033 9.7V電壓輸出仿真圖

因此為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓在1.5～9.7 V可調(diào)，R2的范圍應(yīng)在25.5～186.2 kΩ之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于數(shù)字電位器AD5160BRJZ100的電阻調(diào)節(jié)范圍為60～99.67 kΩ，將R2替換為2個(gè)AD5160BRJZ100芯片串聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)120～199.34 kΩ電阻調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓在1.5～9.7 V調(diào)節(jié)。1.5～9.7 V可調(diào)電壓輸出電路圖如圖11所示。

將兩片AD5160BRJZ100控制端CLK及SDI管腳并聯(lián)，使用單片機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)數(shù)字定位器實(shí)現(xiàn)120～199.34 kΩ電阻調(diào)節(jié)。

圖11 LT3033 1.5～9.7 V可調(diào)電壓輸出電路圖

3 軟件控制

通過串口對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于單片機(jī)串口信號(hào)是3.3 V，首先使用max232將上位機(jī)串口信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理[7]。

串口初始化程序如下：

char RxBuf=0;//定義接收數(shù)據(jù)

void main(void)

{

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;

BCSCTL1 &=～XT2OFF;

do

{

IFG1 &=～OFIFG;

for (int i = 0xff; i > 0; i--);

}

while ((IFG1 & OFIFG));

BCSCTL2 |= (SELM_2+DIVM_0+SELS+DIVS_0);

P3DIR = 0x10; //定義串口的輸入輸出方向

P3SEL = 0x30; //選擇P34、P35為第二功能

ME1|=UTXE0+URXE0; //使能TXD/RXD

UTCTL0 |= SSEL0;時(shí)鐘源選擇ACLK

UBR00=0x03;//設(shè)置波特率9600

UBR10=0x00;

UMCTL0=0X4A; //波特率調(diào)整

UCTL0 |= CHAR;//8位數(shù)據(jù)位

UCTL0 &=～SWRST;// 初始化UART0狀態(tài)機(jī)

IE1 |= URXIE0; //中斷使能

}

#pragma vector=UART0RX_VECTOR

__interrupt void usart0_rx(void)

{

RxBuf= RXBUF0;//讀取緩沖寄存器數(shù)據(jù)

}

若要修改輸出電壓值，只需修改上位機(jī)串口指令，送入MCU。

4 結(jié) 果

修改硬件電路電阻值，利用軟件進(jìn)行仿真，輸出電壓統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從結(jié)果可以看出，仿真值與式(2)計(jì)算值相同。

5 結(jié)束語

本文介紹的這種用于勘探儀器的數(shù)控低噪音可調(diào)電源設(shè)計(jì)利用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)進(jìn)行電壓輸出，能夠保證電源輸出噪音在微伏級(jí)別，滿足了弱信號(hào)采集的供電需求。但要注意兩點(diǎn)：一是在使用過程中需要注意LT3033最大輸入電壓為10 V，因此要保證LT8609輸出電壓不高于10 V，即可調(diào)電位器最小電阻值應(yīng)大于等于9.9 kΩ；二是需要注意AD5160BRJZ100最大輸入電流為0.48 mA，應(yīng)在輸入前端串聯(lián)限流電阻以保護(hù)器件不受到損壞。