一種高精度可調電平接口電路設計?

趙雪鵬蘇淑靖邢震震余 毅

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

在電子、航空航天、無線通訊等領域中，需要輸入速度快、精度高、抖動低的時鐘信號，來保證相關的電子組件得以同步運作。然而輸出單一電平的接口并不能滿足各種數字電路的需求。如果邏輯電平不兼容將引起邏輯混亂或者損壞電路，因此需要一種輸出可調電平的時鐘產生設備。

隨著集成電路的快速發展，在不同場合下的不同電路，使用的接口電平也不盡相同，這使得市面上面存在很多電平種類，例如TTL、RS485、LVCOMS、PECL、LVPECL、LVDS 等。面對眾多的電平種類，對數字接口電路有了更高的要求。在現有儀器中，也有可以產生多種電平信號的儀器，如美國是德科技生產的81134A 碼型發生器就可以輸在電壓為－2 V～＋2 V 范圍內選擇任意電平輸出，但國內儀器中如虹科生產的AWG－4000 碼型發生器，只有LVDS 轉LVTTL 單種模式[1]。

為了可以適應各種儀器或電路所需的電平接口，本文設計了一種可調電平接口轉化的電路。該電路可以獨立調節電平的差模電壓和共模電壓，通過隔離方式耦合成所需的電平信號，從而可以實現輸出任意常用的電平接口信號，經實際測量電平信號精度高、質量好。

1 可調電平接口電路方案設計

可調電平接口電路可分為差模電壓調節模塊、共模電壓調節模塊以及通信接口模塊，如圖1 所示。其中差模電壓調節模塊中的隔離電源轉換電路輸出供給電平差模電壓調節模塊，使其與電平共模電壓調節模塊隔離供電，實現差共模電壓解耦調節，電平共模電壓調節模塊與其他模塊為同一參考地。差模電壓調節電路和共模電壓調節電路分別用于輸出電平的差模電壓和共模電壓；控制數據接口通過RS485 轉接器連接PC 機接，通信接口電路接收到總線上的數據傳送到STM32，來控制差模電壓和共模電壓值；外部驅動用于驅動差模電壓調節電路產生差模信號。

圖1 可調電平接口電路設計方案

1.1 差模電壓調節模塊設計

1.1.1 差模電壓調節電路

差模電壓電路在外部驅動的作用下產生與驅動信號頻率一致的差模信號，由STM32 控制電平信號的差模值。由于電平信號的最高頻率到達3.2 GHz，據此選擇了高速激光驅動器來驅動電路生成差模電壓。激光驅動器輸出的是高速電流信號，可通過電阻轉換為電壓信號。差模電壓調節電路選擇TI 公司生產的ONET1101L 芯片作為電流驅動器，其速率可達11.3 Gbyte/s，滿足本系統對頻率的設計需求。該芯片是一個具有均衡器、調制電流(IDM)功能的電流輸出驅動器。輸出電流可編程控制，最高可達到85 mA，電流分辨率為83 μA，其連接示意圖如圖2 所示[2]。

圖2 電平轉換電路連接示意圖

1.1.3 隔離電源轉換電路

差分傳輸線間的阻抗匹配為差分100 Ω，所以R1、R2、R3和R4的阻值滿足下述式(1):

因此選擇R1、R2、R3和R4為四個100 Ω 的電阻，由于輸出電流頻率很高，為了輸出差模電壓的穩定性，電阻選擇射頻電阻。芯片外部設計了V2端連接共模信號電壓，這端口與共模電壓調節電路AD8397 的輸出端連接。由于ONET1101L 芯片的驅動能力有限，所以設計V1的作用是輔助芯片調節差模電壓，調試時V1處提供的電壓為隔離5.5 V。G1連接的隔離地，G2連接的是非隔離地，G2和G1用射頻電容隔離開來，實現差模電路和共模電路的參考地隔離開[3]。

在中國股市成立初期，由于受到國內管制較多，中國股票市場與國際股市的相依性非常低，這一點已經過多數學者的驗證。因此，本文將樣本區間設置為2001年1月1日至2015年11月30日，數據頻率采用日度數據，研究數據來自雅虎財經。

ONET1101L 作為電流驅動器，可通過編程調節輸出電流，差模電壓則為電流乘以相應電路阻抗。根據圖2 可知外接阻抗的連接方式如圖3 所示。則阻抗表達式如式(2)所示，代入數值可得ZOUT的阻值為22.8 Ω。

采用SPSS 17.0統計軟件進行統計分析。應用x2檢驗分析評估各相關因素與手術部位感染之間的關聯，單因素分析有統計學意義的納入多因素分析，多因素分析采用Logistic回歸模型，所有檢驗均為雙側檢驗，P＜0.05表示差異具有統計學意義。

圖3 ONTE1101L 輸出阻抗示意圖

ADP7104 由一個參考點、誤差放大器、反饋分壓器和一個PMOS 型晶體管組成。輸出電流由PMOS 調整管提供，需受誤差放大器控制。誤差放大器將參考電壓與輸出反饋電壓進行比較，并放大兩者之間的差值。如果反饋電壓低于參考電壓，PMOS 器件的柵極會被拉低，允許更多的電流通過并增加輸出電壓。當反饋電壓高于參考電壓時，PMOS 器件的柵極被拉得更高，使得通過的電流變小，從而降低輸出電壓[6]。

差模調節電路需要隔離3.3 V 和隔離5.5 V 電源供電，所以在設計中通過隔離DC－DC 電源模塊將6 V 轉成隔離6 V，再通過非隔離電源模塊將隔離6 V 轉成所需的隔離3.3 V 和隔離5.5 V，其中隔離3.3 V 為差模調節電路和通信接口電路供電，隔離5.5 V 用于輔助芯片調節差模電壓。隔離電源轉換電路中使用航天長峰朝陽電源公司的4NIC－DC4.2－S6G 型號的集成電源模塊作為隔離電源轉換模塊。該模塊具有結構簡單、穩定性好等優點，可將輸入的非隔離6 V 轉換成隔離的6 V，且輸出的電流驅動能力達到0.7 A，電源紋波小，連接示意圖如圖5 所示。電壓輸入輸出端連接的電感L1和L2起到濾波的作用，防止電流突變對芯片的電源和地造成干擾；電容C1和C2電容起到去耦作用，濾除電壓的高頻噪聲。

花生青枯病在干旱或多雨情況下發生嚴重,發病盛期一般在花生盛花期前,通常日平均氣溫穩定在20攝氏度以上, 5厘米深處土溫穩定在25攝氏度以上時開始發病,旬平均氣溫穩定在25攝氏度以上，土溫達30攝氏度時進入盛發期,陰雨或暴雨驟睛,花生青枯病有可能大發生。

1.1.2 STM32 程序設計

ONET1101L 用于調節電平的差模值，使用2 線串行接口進行數字控制。兩路輸入分別為SCL 和SDA，由STM32 處理器的串行時鐘和串行數據驅動，該兩路引腳采用漏極開路的方式，用4.7 kΩ 電阻上拉至3.3 V。2 線接口提供對內部內存映射的寫訪問以修改控制寄存器和讀訪問，以讀出控制信號。ONET1101L 僅為從設備，本身無法啟動傳輸；在傳輸期間，必須依靠SCL 信號。主設備提供時鐘信號加上啟動和停止命令。數據傳輸協議如下所示:

(1)啟動命令；

(2)7 位從地址(0001000)后面跟著第8 位是數據傳輸方向位(R/W)。0 表示寫，1 表示讀；

(3)8 位寄存器地址；

③工程景觀效果。治理工程實施后河道具有良好的景觀效果，即治理工程實施后河流自然度高，能夠較快形成植被豐富、結構完整、生物種類和水體形態多樣性高的近自然駁岸。

(4)8 位寄存器數據字；

(5)停止命令；

長期以來，測繪標準的制修訂管理業務都是以電子文檔、郵箱或電話方式進行交互式提交和反饋，標準制修訂過程文檔的存儲由文件夾方式管理，導致標準制修訂管理低效，資源共享性差，標準分析困難等。

圖4為左線道床的累計沉降量統計情況。自2015年9月在道床上布設監測點以來共進行了6次監測，其中道床初始高程取初次測量值。從圖4中可以看出：道床縱向沉降量呈波動不均勻分布，沉降量均未超過豎向位移預警值10 mm[11]，其中，8號線右線下穿部位道床附近累計沉降量最大，相對初始值累計沉降在5 mm左右；左線ZDK29+260—ZDK29+350區段由于結構下臥軟土層相對較厚，且厚度均大于10 m，累計沉降量在3 mm左右；3號聯絡通道處累計沉降量在2 mm左右。

圖4 ONET1101L 通信時序圖

DIN＋和DIN－引腳為差分時鐘輸入端用于驅動差模電壓的產生，MOD＋和MOD－引腳為電流信號輸出端。STM32 與芯片的SCL、SDA 管腳相連，通過I2C 通信協議實現控制ONET1101L 輸出電流，經過外部電阻實現差模電壓的控制。

為實現差模電壓和共模電壓可以分別獨立調節且互不干擾，設計時采用隔離供電的方式，通過將兩個電壓輸入端的低電平參考端隔離的辦法實現電平的共模電壓和差模電壓解耦調節。隔離可以有效解決信號環路和設備之間的互相干擾，也可以有效消除線路傳輸過程中外界的一些電磁干擾。隔離DC－DC 電源模塊是指隔離電源使用變壓器，將各種不同電壓通過變壓器，將電壓降到所需要的電壓，作為負載供電使用。非隔離電源模塊是將各種不同電壓直接引入到電子電路，再通過電子元件進行升降壓輸出，輸入輸出是通過電子元件直接連接的，中間并沒有經過變壓器等帶隔離性的器件[5]。

當Iidff最大為85 mA 時，差模電壓輸出最大，理論輸出最大值為1.938 V，調試時最大可達1.9 V。

圖5 非隔離6 V 轉隔離6 V 原理圖

隔離6 V 需要轉成隔離3.3 V 和隔離5.5 V。電壓轉換電路選用Analog Devices 公司的ADP7104作為電壓轉換芯片。ADP7104 是一款CMOS 低壓差線性的穩壓器，工作電壓從3.3 V 到20 V，輸出電流高達500 mA，輸出電壓范圍為1.5 V 到9 V，可以滿足所需的3.3 V 和5.5 V 電壓。

則差模電壓為

ADP7104 輸出電壓可通過外部反饋電阻調節，通過調節外部反饋電阻阻值使得輸出電壓為3.3 V和5.5 V。輸出電壓可由式(4)可得，其工作原理圖如圖6 所示。VIN、VOUT分別為電壓的輸入輸出端，EN 引腳高電平有效控制電壓輸出，ADJ 接收反饋電壓，調節輸出電壓。C3、C4為旁路電容用于濾除高頻噪聲。R8、R9用于調節反饋電壓大小。當輸出3.3 V 的隔離電壓時，R8、R9的值分別為10 kΩ、17 kΩ；當輸出5.5 V 隔離電壓時，R8、R9的值分別為10 kΩ、35.1 kΩ。

圖6 隔離6 V 轉隔離5.5 V 原理圖

1.2 共模電壓調節模塊設計

1.2.1 共模電壓調節電路設計

信號電平的共模電壓可由數模轉換器(DAC)實現，通過STM32 改變DAC 內部寄存器的數字量實現模擬電壓的調節。為了可以獲取精度高、噪聲低的共模電壓，選用了乘法DAC。

辦事警員說，王先生請冷靜，我們考慮到遇難家屬的心情，當然這種心情可疑理解，我們認為暫不合適雙方見面，再說，高速公路上是不允許停車的。是的，你妻子所在的轎車就停在路邊，雖然是車輛較少的路段，但是那也是違法的。況且，沒有放置緊急安全提醒標識。出事后，這輛山西籍的貨車司機，參與了救治，你的妻子就是他們送來的。

ONET1101L 采用的是I2C 通信。圖4 所示的典型時序圖描述了完整的數據傳輸過程[4]。

乘法數模轉換器(DAC)與常規固定參考信號DAC 的區別在于，前者能夠工作于任意或交流參考信號，是一個低噪聲、高精度的DA 轉換器。但其輸出的是電流信號，而非電壓信號，需要通過電流－電壓轉換運放來實現電壓輸出。其連接示意圖如圖7所示。

圖7 乘法DAC 原理圖

VDD為電源端，VREF為參考電壓端，RFB為內部反饋電阻用于調節輸出電壓。STM32 通過CLK、SDI與DAC 相連控制IOUT電流大小。IOUT結點電流流向接至虛擬地，因而輸出尖峰電壓極低，C5為補償電容穩定輸出的電壓[7]。當輸出為單極性時，由式(5)可得輸出電壓為:

通過圖2信息可確定，工程信息評估框架主要包括移民生產水平評估、生活水平評估、基礎設施評估、移民滿意度評估、后續發展評估及資金撥付評估6項內容。其中，移民生產水平評估主要包括對水庫周圍鄉鎮村民土地資產、固定資產、勞動力信息包括就業情況等信息評估。

式中:n為DAC 的位數，D為STM32 配置DAC 內部寄存器的數值。

共模調節電路使用的乘法DAC 選用的是Analog Devices 公司的16 位數模轉換器AD5534，該器件具有低噪聲、低功耗等特點。AD5543 使用3 線式(CS、SDI、CLK)串行數據接口。串行數據以16位字格式逐個寫入到AD5543 內部寄存器中。乘法DAC 電路性能很大程度取決于所選運算放大器的性能，從而使得在階梯輸出端保持零電壓，并實現電流電壓轉換。為了達到最佳的直流精度，要選擇具有低失調電壓和偏置電流的運算放大器，以保持誤差與DAC 的分辨率相當。電路上選用AD8397 運放作為電流電壓轉換器，該器件失調電壓最大1 mV，偏置電流最大為200 nA，其輸出電壓范圍為－12 V～12 V，由圖2 可得經過100 Ω 電阻分壓到負載(50 Ω)上的共模電壓值為－4 V～4 V，滿足電平信號共模電壓值的輸出需求[8]。

由于共模電壓值為雙極性輸出擺幅，可通過將額外U4 外部放大器配置為求和放大器來實現，如圖8 所示。在此電路中R10、R11和R12電阻調節求和放大器的輸入電壓，C6用于補償DAC 內部輸出電容在開環響應中引入的極點，保證輸出電壓穩定，C7用于相位補償，防止出現零點自激。第二個放大器U4 提供了2 倍的增益，將輸出范圍幅度提高到24 V[9]。利用12 V 偏置電壓使外部放大器偏置，便可實現四象限乘法電路。則輸出電壓公式可表示為，當輸入數據(D)從零碼(VOUT＝－12 V)遞增至半量程(VOUT＝0 V)，再遞增至滿量程(VOUT＝＋12 V)時，就會產生正負輸出電壓。輸出電壓值如下所示:

圖8 電平共模信號產生原理圖

VOUT為輸出電壓，VREF為參考電壓，D為16 位數據的值，由STM32 控制寫入。

則最終輸出信號的高低電平分別為:

由式(6)可得V共輸出的電壓范圍為－12 V～12 V，由圖2 可得V共經100 Ω 電阻分壓后，負載(50 Ω)的電壓為V共的三分之一，則與差模耦合之后的實際共模電壓為－4 V～4 V，差模電壓的最大值為1.9 V，代入式(7)可得電平VH的輸出范圍為－2.1 V～4.95 V，VL的輸出范圍－4.95 V～3.05 V。

王 穎 女,1979年8月出生,天津人,碩士,講師,畢業于燕山大學,主要研究方向為無線傳感器網絡,優化算法.

1.3.2 STM32 程序設計

AD5543 是16 位數模轉換器用于調節電平的共模電壓值，采用5 V 單電源供電，該芯片與控制芯片的通信過程相對于ONET1101L 通信簡單。串行數據接口利用串行數據輸入(SDI)、時鐘(CLK)和芯片選擇引腳，實現了三線式控制輸入，STM32在向AD5543 寫入數據時，需要先將引腳拉低，然后在CLK 時鐘的驅動下，通過SDI 線路向AD5543 芯片寫入數據，其時序如圖9 所示。

在不斷地關注和肯定信息技術的優勢后，人們開始回歸教育人文關懷的本質，反思在信息化教學中過多關注人機交互造成的師幼間情感缺失。認為“師幼互動所蘊含的教育智慧及人與人之間的信任、鼓勵、關懷等溫情永遠是教育教學的重要組成部分[6]”，教師自身的人格魅力會對幼兒產生積極影響，可以通過語言和體態語去傳遞情感，形成互動。師幼互動的教學靈活性也可以彌補教學軟件固定程式對教學的制約。

圖9 AD5543 時序圖

1.3 通信機制及通信接口電路設計

1.3.1 基于RS485 主從通信機制

差模和共模電壓值的改變需要受外部數據控制，所以設計時保留數據接收端口，用于接收外部傳輸的數據指令。測試時使用PC 機串口助手通過RS485 轉接器將送數據指令發送至數據控制接口，

從機接收到數據后將數據分別寫入差模調節電路和共模調節電路中，實現電平信號的差模共模電壓調節。

主機與從機的通信協議協議如圖10 所示。一幀數據為31 byte，幀頭、地址和校驗位各為1 byte，數據位28 byte。幀頭被用來識別數據幀的開始；幀地址為接受數據的從機地址，RS485 總線上的通信為廣播方式，所以每個從機有獨立地址，通過地址對比來判斷該數據幀是否應該接收；幀中的數據位為實際傳輸數據，是PC 機下達指令的命令；校驗位用于數據幀的校驗，通過異或校驗的方式來驗證數據傳輸過程中是否出現誤碼[10]。

圖10 傳輸數據幀結構圖

PC 機與STM32 的通信接口采用半雙工UART接口，通過異步串行通信方式接收和發送信息。上電后從機處于待機狀態，實時監測總線上面是否有數據傳輸。當檢測到數據傳輸時，STM32 開啟串口中斷，接受數據并判斷該幀數據是否正確，若不正確則需重新發送，通信接口電路連接示意圖如圖11所示[11]。

屈哨兵：你提了一個十分重要的問題。不論是一個國家、一個地方或一個區域，作為教育行政主管部門，首先就要對本區域、本地區的教育布局有一個整體的認識，這樣才能對教育全局進行頂層的政策設計。

護理人員自身的綜合職業素養是影響護理工作的重要因素，素養的提升除了要依靠工作中進行經驗的積累以外，還要有科學的培訓提供支持。培訓的內容應該涵蓋三個大的方面。

圖11 通信結構圖

PC 機通過RS485 通信，將數據傳給控制差模電壓和共模電壓的STM32。由于共模電壓和差模電壓分別使用的是非隔離電源和隔離電源供電，所以使用的通信芯片也分別為非隔離通信和隔離通信的方式。通信接口電路選用Maxim Integrated 廠商的MAX3491，以及Analog Devices 公司的ADM2484E分別作為非隔離和隔離接收端的通信芯片。兩個芯片都具有通信速率高、功耗低特點，能夠滿足電路通信需求。在電路上，兩個芯片的接受端和發送端都需要接3.3 V 的上拉電阻，當沒有數據發送時總線默認置高，使得總線上電平穩定。不同點在于ADM2484E 需要使用3.3 V 非隔離電壓和3.3 V 隔離電壓同時供電，并且同時接入公用地和隔離地，其原理圖如圖12 所示。

圖12 差模信號通信接口原理圖

2 測試平臺搭建及測試結果

可調電平接口電路選擇的驅動設備為美國是德科技生產的81134A。該設備是一個輸出頻率范圍為15 MHz～3.35 GHz 脈沖信號發生器，具有地抖動、快速上升時間及延遲調制功能[12]。可以自定義設置所需驅動信號的頻率和電平。差模電路選擇低電平1.07 V 高電平1.43 V 的電平信號作為驅動信號，驅動信號頻率可在81134A 允許輸出范圍內任意設置。

測試儀器設備選用是德科技的86100D 示波器，搭建測試平臺進行功能驗證與測試。由于示波器能測量的最大峰峰值為800 mV，為了保護示波器，故使待測信號進入示波器前衰減了20 dB，同時在示波器上通道模式選擇20 dB 衰減模式通過軟件來補償。測試平臺搭建效果如圖13 所示。

圖13 測試平臺搭建

在搭建好測試平臺之后，系統上電之后使用PC機通過串口向STM32 分別發送數據，STM32 在接收到數據之后分別將數據寫入AD5543 和ONET1101L芯片，然后設置81134A 設備的輸出驅動信號為LVPECL 電平和驅動頻率，打開該設備輸出通道給系統提供驅動信號，用示波器觀測測試結果。然后改變驅動信號的驅動頻率，觀察不同驅動頻率下所輸出的電平信號。

從總體發展變化來看，2005—2015年，海南省的旅游經濟與生態環境系統的耦合度和耦合協調度呈現出先增長后持續穩定發展的態勢；分階段來看，2005—2007年為耦合協調發展的較低水平階段，這一時期海南省旅游業的活力并沒有得到充分的發揮，同時較好的生態環境為旅游業發展提供了良好的基礎和保障；2007—2015年為耦合協調發展磨合適應階段，這一時期海南省旅游業的活力得到了進一步的釋放，但生態環境的質量呈現下降的趨勢，不過從2015年開始出現小幅上升趨勢，表明這兩個系統之間正向促進的積累效應開始顯現。

由于可測試電平數據的數量較大，本文只記錄了測試中的LVDS 電平部分頻率信號的波形圖像如圖14 所示。記錄了LVDS 電平、RS485 電平和ECL電平部分頻率的數據。測試數據的理論值如表1 所示，測試值如表2 所示。

表1 測試電平理論值

表2 測試結果

圖14 不同頻率下輸出的LVDS 電平信號

由于電路板輸出端同測試設備連接的傳輸線帶寬有限，所以當頻率越高時信號被濾除的高次諧波分量越多，測試時當頻率大于2.5 GHz 時，波形趨向于正弦信號。測試數據與標準電平值相比，誤差均在5 mV 以內，波形穩定，上升時間均小于100 ps，波形具有可靠性。

3 結論

本文介紹了一種高精度可調電平接口電路的設計過程，對其主要部分的硬件電路設計進行了詳細論述。本設計通過PC 機來控制所需要的電平信號，通過通信芯片將數據傳送給STM32，來實現共模信號和差模信號的調節。通過兩個不同的參考地平面解決了信號的共差模耦合問題。在不同的頻率點處測試了LVDS、RS485、PECL 電平，經數據和波形分析可得電平信號具有較高的可靠性。