一种基于前馈和反馈的高精度可编程电子负载电路

本发明属于电路设计，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

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；

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；

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；

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；

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。

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：
技术公布日：2024/1/14