本發(fā)明屬于數(shù)字電路領域，尤其涉及一種高壓dac電路，該電路采取直接數(shù)字編碼方式實現(xiàn)高壓輸出。

背景技術：

目前單個運放的輸出電壓范圍最大為±600v，為apex公司的pa89，沒有單個運算放大器的輸出電壓能達到±1100v；數(shù)字模擬轉換器(dac)芯片的輸出受參考電壓的限值，輸出范圍多為-10v～10v(v-～v+)，包含在dac的模擬供電電壓值之內，dac的模擬供電電壓一般為±15v～±18v。

目前的1100v范圍內任意可調電壓的實現(xiàn)采用dac輸出后放大的方式。放大器可以分為兩類，第一類為采用高壓三極管或場效應管搭建的高壓放大器，此類放大器的集成芯片目前最大輸出電壓范圍為±600v，另外此類放大器還可以采用分立器件搭建放大電路，但是目前n溝道的管子能承受的最大負電壓為-600v，無法采用線性放大器直接輸出±1100v范圍的任意電壓，而且此種放大方式要求放大器的供電電壓區(qū)間包含±1100v。第二類放大器要求內部有一個幅值受控的交流信號發(fā)生器和一個升壓環(huán)節(jié)，通過變壓器將交流信號升壓，通過濾波整形，獲得直流高壓，然后在低端進行反饋，通過反饋信號控制變壓器初級交流信號的幅值，此種方式的供電電壓值雖然相對較小，但獲得的高壓帶載能力差，噪聲高。

可見現(xiàn)有技術實現(xiàn)高壓范圍(1100v以上)內任意可調電壓時，要不存在無法采用線性放大器直接輸出高壓(1100v以上)范圍內的任意電壓且放大器的供電電壓區(qū)間過寬的問題，就是存在雖然供電電壓值較小，但獲得的直流高壓帶載能力差，噪聲高的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明鑒于上述的情況，提供一種能解決上述問題的高壓dac電路，其特征在于：所述高壓dac電路包括第1級放大模塊和m級擴展放大模塊；

第m級擴展放大模塊以第m-1級擴展放大模塊的輸出為電壓參考點，第m級擴展放大模塊的整體電勢浮在第m-1級擴展放大模塊的輸出電壓上，第m級擴展放大模塊相對于整機參考地的輸出電壓為第m-1級擴展放大模塊的輸出值加上第m級擴展放大模塊的電壓輸出值之和；

m為1時，第1級擴展放大模塊以第1級放大模塊的輸出為地，第1級擴展放大模塊的整體電勢浮在第1級放大模塊的輸出電壓上，第1級擴展放大模塊相對于整機參考地的輸出電壓為第1級放大模塊的輸出值加上第1級擴展放大模塊的電壓輸出值之和。

所述高壓dac電路的特征還在于：

所述高壓dac電路包括第1級放大模塊和m級擴展放大模塊；

第1級放大模塊包括n位集成dac、獨立電源、獨立基準電壓源、運放輸入電阻、運放反饋電阻以及運放；

第m級擴展放大模塊包括2^m-1個放大電路模塊；

放大電路模塊包括獨立電源、獨立基準電壓源、運放輸入電阻、運放反饋電阻、二選一開關和運放；

放大電路的放大倍數(shù)為k；

第1級放大模塊中，獨立基準電壓源的輸出與n位集成dac的參考電壓端相連，集成dac的輸出端通過運放輸入電阻與運放的反向輸入端相連，運放的反向輸入端通過運放反饋電阻與運放的輸出端相連，運放的正向輸入端與模擬地相連；獨立電源接運放的供電端。

第m級擴展放大模塊中，每個放大電路模塊中獨立基準電壓源通過二選一開關和運放輸入電阻與運放的反向輸入端相連，運放的反向輸入端通過運放反饋電阻與運放的輸出端相連，前一個放大電路模塊運放的輸出端與后一個放大電路模塊運放的同向輸入端以及獨立基準電壓源的接地端相連，二選一開關同時控制2^m-1個獨立基準電壓源，當控制信號為0時，基準電壓v-通過輸入電阻接到運放的反向輸入端，當控制信號為1時，基準電壓v+通過輸入電阻接到運放反向輸入端，獨立電源接運放的供電端。

所述高壓dac電路的特征還在于：

所述高壓dac電路包括第1級放大模塊和m級擴展放大模塊；

第1級放大模塊包括n位集成dac、獨立電源、獨立基準電壓源、運放輸入電阻、運放反饋電阻以及運放；

第m級擴展放大模塊包括2^m-1個放大電路模塊；

放大電路模塊包括獨立電源、獨立基準電壓源、運放輸入電阻、運放反饋電阻、二選一開關和運放；

放大電路的放大倍數(shù)為k；

第1級放大模塊中，獨立基準電壓源的輸出與n位集成dac的參考電壓端相連，集成dac的輸出端與運放的正向輸入端相連，運放的反向輸入端通過運放輸入電阻連接到模擬地，同時又通過運放反饋電阻連接到運放輸出端；獨立電源接運放的供電端。

第m級擴展放大模塊中，每個放大電路模塊中獨立基準電壓源通過二選一開關與運放的正向輸入端相連，前一個放大電路模塊運放的輸出端與后一個放大電路模塊運放的運放輸入電阻一端以及獨立基準電壓源的接地端相連，后一個放大電路模塊的運放的反向輸入端與運放輸入電阻另一端相連，同時又通過運放反饋電阻連接到運放輸出端，二選一開關同時控制2^m-1個獨立基準電壓源，當控制信號為0時，基準電壓v-接到運放的正向輸入端，當控制信號為1時，基準電壓v+接到運放正向輸入端，獨立電源接運放的供電端。

進一步地，其中，所述第1級放大模塊中的n由以下公式確定：vi為輸出電壓的最小分辨率。

進一步地，其中，反向放大時，所述放大電路的放大倍數(shù)為k，r與r'為運放的輸入電阻與反饋電阻。

進一步地，其中，正向放大時，所述放大電路的放大倍數(shù)為k，r與r'為運放的輸入電阻與反饋電阻。

進一步地，其中，所述獨立基準電壓源可以v+為+10v，v_為-10v。

進一步地，其中，所述第一級放大模塊的輸出為±400v。

進一步地，其中，m取2時可以實現(xiàn)±1600v的峰值電壓的輸出。

發(fā)明的效果：

采用本發(fā)明的方案，降低了供電電壓幅值，將一個高電壓轉化為多個低電壓的疊加；控制方便簡單，dac控制字由一個公式計算得出；各級采用線性升壓，線性度好；負載能力強，帶載能力由高壓運放的性能決定，可達100ma，不受基準電壓的帶載能力的限制；噪聲低，整個量程中全程采用直流電壓線性疊加，未引入交流信號。

附圖說明

圖1為本發(fā)明反向放大時，擴展一級的電路結構圖。

圖2為本發(fā)明反向放大時，擴展兩級的電路結構圖。

圖3為本發(fā)明反向放大時，擴展m級的電路結構圖。

圖4為本發(fā)明正向放大時，擴展一級的電路結構圖。

具體實施方式

為了使本技術領域人員更好的理解本發(fā)明，下面結合附圖和實施方法對本發(fā)明作進一步的詳細描述。

首先對本發(fā)明所涉及的專業(yè)術語進行說明：

dac：digitaltoanalogconverter，數(shù)字模擬轉換器。

gnd：電路的模擬地。

gndmh：第m級擴展放大模塊中第h個放大電路模塊的電壓參考點，m＝1、2、3···，h＝1、2、3···2^m-1。

s、s11、s21、s22：二選一開關。

a、a11、a21、a22：運算放大器。

n：集成dac的位數(shù)，n取1、2、3···

m:擴展放大模塊的級數(shù)，m取1、2、3···

k:放大電路的放大倍數(shù)，k取1、2、3···

v11+、v11-、v21+、v21-、v22+、v22-、v+、v—：獨立基準電壓電源的正負基準電壓。

vi：輸出電壓的最小分辨率。

dx：一位2進制數(shù)，其取值為0或1。

dn：

r、r`、r11、r'11、r21、r'21、r22、r'22、rm1、r'm1、rm2、r'm2、運放的輸入電阻與反饋電阻。

vop_min、vop_max：運放的最大輸出值與最小輸出值。

vdac_out：集成dac模塊的輸出電壓

vm1_out、vm2_out、擴展m級第1放大電路模塊的電壓輸出、擴展m級第2放大電路模塊的電壓輸出以及擴展m級第2^m-1放大電路模塊的電壓輸出。

實施例1：

如圖1所示，為本發(fā)明反向放大時，擴展一級的電路結構圖，即m＝1時的電路結構圖。在第一級放大模塊中，獨立基準電壓源v的輸出連接n位集成dac的參考電壓端，獨立基準電壓源的接地端連接模擬地gnd，n位集成dac的輸出端連接運放a的輸入電阻r’的一端,r’的另一端與運放a的反向輸入端相連，r’同時與運放a的反饋電阻r相連。運放a的同向輸入端連接到模擬地gnd。

反饋電阻r的另一端連接到運放a的輸出端。在第一級擴展放大模塊中，第一級放大模塊中運放a的輸出端連接到第一級擴展放大模塊運放a11的同向輸入端，即第一級擴展放大模塊的電壓參考端定為第一級放大模塊的電壓輸出高端，第一級放大模塊的輸出電壓為第一級擴展放大模塊的電壓參考點gndd11，獨立基準電壓源v11的輸出端通過二選一開關s11連接到運放a11的輸入電阻r`11的一端，獨立基準電壓源v11的接地端接到第一級擴展放大模塊的參考地gndd11，運放a11的輸入電阻r`11的另一端與運放a11的反向輸入端相連，同時與運放a11的反饋電阻r11相連。運放a11的輸出為第一級擴展放大模塊的輸出v1_out。d0～dn-1為n位集成dac的控制信號，dn為第一級擴展放大模塊的控制信號，當二選一開關s11在控制信號為0的時候接到獨立基準電壓源的v11-，控制信號為1時接到v11+。該電路使得第一級擴展放大模塊整體電勢浮在第一級放大模塊輸出電壓上，第一級擴展放大模塊相對于整機參考地的輸出電壓為第一級放大模塊的輸出值加上第一級擴展放大模塊的電壓輸出值之和，其中反向放大時同向放大時v11-＝v_，v11+＝v+。集成dac模塊的輸出電壓表達式為則第一級放大模塊的輸出電壓為：

第一級擴展放大模塊的輸出電壓為：

v1_out＝k·[dn·(v+-v_)+v_]，中括號中的表達式為二選一開關的數(shù)學表達式，當dn＝0時，v_接入電路，第一級擴展模塊在其參考電壓之上的輸出值為k·v_，當dn＝1時，v+接入電路，第一級擴展模塊在其參考電壓之上的輸出值為k·v+，在后文中，開關的數(shù)學表達式均采用此表達式，不再說明；此時第一級擴展模塊相對于整機參考地的輸出為：

在此需要特別說明的是，輸入電阻r`與r11`與運放a和a11相連接時，必須同時連接到運放的反向輸入端，不允許一個連接到運放的同向輸入端，另一個連接到運放的反向輸入端。本技術方案都是以上連接方式，下面的實施例中不再重復做說明。

實施例2：

如圖2示，為本發(fā)明反向放大時，擴展兩級的電路結構圖，即m＝2時的電路結構圖。本實施例中，第一級放大模塊與第一級擴展放大模塊與實施例1相同，不再重復，下面重點對電路結構圖中的第二級擴展放大模塊做出說明。

在第二級擴展放大模塊中，第一級擴展放大模塊的輸出連接到第二級擴展放大模塊的第一放大電路模塊運放a21同向輸入端，即第二級擴展放大模塊的第一放大電路模塊電壓參考端定為第一級擴展放大模塊的電壓輸出高端，第一級擴展放大模塊的輸出電壓為第二級擴展放大模塊的第一放大電路模塊的電壓參考點gndd21，獨立基準電壓源v21的輸出端通過二選一開關s21連接到運放a21的輸入電阻r`21的一端，獨立基準電壓源v21的接地端接到數(shù)字地gndd21，運放a21的輸入電阻r`21的另一端與運放a21的反向輸入端相連，同時與運放a21的反饋電阻r21的一端相連。反饋電阻r21的另一端與運放a21的輸出端相連。在第二級擴展放大模塊中，第二級擴展放大模塊的第一放大電路模塊輸出連接到第二級擴展放大模塊的第二放大電路模塊運放a22的同向輸入端，即第二級擴展放大模塊的第二放大電路模塊電壓參考端定為第二級擴展放大模塊的第一放大電路模塊的電壓輸出高端，第二級擴展放大模塊的第一放大電路模塊的輸出電壓為第二級擴展放大模塊的第二放大電路模塊的參考地gndd22，獨立基準電壓源v22的輸出端通過二選一開關s22連接到運放a22的輸入電阻r`22的一端，獨立電源v22的接地端接到參考地gndd22，運放a22的輸入電阻r`22的另一端與運放a22的反向輸入端相連，同時與運放a22的反饋電阻r22的一端相連。反饋電阻r22的另一端與運放a22的輸出端相連。運放a22的輸出為第二級擴展放大模塊的輸出v2_out。dn+1為第二級擴展放大模塊的控制信號，當二選一開關s21和二選一開關s22在控制信號為0的時候接到獨立電源的v21-和v22-，控制信號為1時接到v21+和v22+。第二級擴展放大模塊相對于整機參考地的輸出電壓為第一級擴展放大模塊的電壓輸出值以及第二級擴展放大模塊的電壓輸出值之和。其中反向放大時v21_＝v22_＝v_，v21+＝v22+＝v+。則第二級擴展放大模塊的第一放大電路模塊的輸出電壓相對于其參考端為：

v21_out＝k·[dn+1·(v21+-v21-)+v21-]＝k·[dn+1·(v+-v-)+v-]，

則第二級擴展放大模塊的第二放大電路模塊的輸出電壓相對于其參考端為：v22_out＝k·[dn+1·(v22+-v22-)+v22-]＝k·[dn+1·(v+-v-)+v-]，此時

實施例3：

如圖3所示，為本發(fā)明反向放大時，擴展m級的電路結構圖。

擴展m級時，與上述實施例1與實施例2一樣，第m級擴展放大模塊有2^m-1個放大電路模塊，其中將第m級擴展放大模塊中的第一放大電路模塊的電壓參考端定為第m-1級擴展放大模塊的電壓輸出高端，第m級擴展放大模塊中的第一放大電路模塊的供電全部以第m-1級擴展放大模塊的輸出電壓為電壓參考點，及第m級擴展放大模塊中的第一放大電路模塊的整體電勢浮在第m-1級擴展放大模塊輸出電壓上，第m級擴展放大模塊中的第一放大電路模塊相對于整機參考地的輸出電壓為第m-1級擴展放大模塊的輸出值加上第m級放大模塊中的第一放大電路模塊的電壓輸出值之和。以此類推，第m級擴展放大模塊中剩余的2^m-1-1個放大電路模塊則按照上述方法完成級聯(lián)。其中反向放大時，則此時第m級擴展放大模塊的輸出電壓為：

其中：

輸出范圍為2^m·k·v-～2^m·k·v+

確定m與k得方法如下：

a)根據(jù)實際需求確定基準電壓v+、v-的值；單級高壓運算放大器的輸出電壓范圍為±400v，單級運放的輸出電壓k·2⁰·[dn·(v+-v-)+v-]的范圍是(k·v-～k·v+)，應該包含在單級運算放大器的輸出范圍(vop_min～vop_max)內，即確定k值；(k值盡量大)

b)然后根據(jù)整個高壓dac的輸出范圍需要滿足需求值確定一個m值，

c)根據(jù)輸出電壓要求的最小分辨率vi確定集成電路位數(shù)n的取值，完成整個電路參數(shù)設計。

需要特別說明的是，從成本和規(guī)模上考慮，建議最多擴展兩級，即最高級為k·2¹·[dn+1·(v+-v-)+v-]，減少模塊數(shù)量和電路復雜度；各級輸出范圍可到±400v，則擴展兩級其輸出范圍為±1600v，滿足1100v交直流電壓的輸出需求，滿足常規(guī)儀器設備需求。

實施例4：

如圖4所示，為本發(fā)明正向放大時，擴展m級的電路結構圖。

反向放大與同向放大基本上是一樣的，在此就不同點進行說明，其他相同的不再贅述。

同向放大在電路連接上如圖4所示，第一級放大模塊中，集成dac的輸出直接連到運放的正向輸入端，而反向輸入端則通過運放輸入電阻連到模擬地gnd。在擴展放大模塊中，獨立基準電源通過二選一開關直接連到運放的同向輸入端，而反向輸入端則通過運放輸入電阻與前一級的放大模塊或者擴展放大模塊完成級聯(lián)，具體級聯(lián)方式與反向放大時相同。

同向放大時，放大系數(shù)其他與反向放大相同。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語僅僅是為了方便說明，并不對本發(fā)明構成任何限制。