一种可扩展的高压检测控制单元技术领域
本发明涉及一种可扩展的高压检测控制单元，其由高精度高压模块电源为核心，通过系列控制电路和通讯电路，实现自动化可编程控制，具有高精度，高稳定性，低纹波输出的特点。多个高压检测控制单元可以通过排列组合，实现多路电源信号输出的电子学插件或者独立电源模块。
背景技术
高压电源在关乎国计民生的各个领域都有广泛的应用。在油烟净化、空气净化，静电喷涂，半导体制造设备，真空/等离子处理工艺，各种科学分析仪器设备，医疗学诊断和治疗系统中，都会直接或者间接使用各种高压电源。尤其是在科学研究中，粒子加速器、自由电子激光、中子源、回旋加速源器、电容电感脉冲发生网络、Marx高压脉冲发生器、电容充电器等都需要各种不同性能指标的高压电源（功率，功耗，纹波等）。
在核电子学与核探测器领域，在高能物理实验、核电子学与核探测器研制过程中，会使用大量的高精度、大动态范围、高稳定性的各种高压电源。比如在一些关键器件测试研究过程中，如果发生高压组件短路打火的情况，或者高压电源供电方式不合理，抑或输出控制方式不当，都极易使设备受损，由此导致设备和样管损坏。为此，测试过程中，要合理选择高压的工作模式：独立隔离，共地保护等。急迫需要一款高稳定性，高精度，多路输出，抗干扰能力强的电源。
同时，对于一些大型核物理实验和高能物理实验，对多路可编程控制高压电源的要求更高，不但要求对单个高压通道进行可编程逻辑控制，更要求单路高压性能的稳定性和可靠性。
对于大型阵列高压输出电源，其核心元器件就是单路高压模块，有的高压电源为了节约成本，使用一个高压模块为高压控制模块，通过分压电阻阻值调节进行多路输出，尽管可以实现多路高压同步输出，但这些所谓的多路高压实际是单路高压，或者相关联的多路高压，当其中一路高压受到大的反馈电流干扰后，其他的相关几路高压也会受到影响，导致整个多路输出高压检测控制单元的每一个高压通道都受到影响。
发明内容
鉴于现有技术的状况，本发明的目的，是设计了一种可扩展的高压检测控制单元，此款高压检测控制单元，具有体积小巧，抗电磁干扰能力强，输出纹波低的特点，在保证性能不变的条件下，不但可以单个单元制备便携式高压电源，也可以通过阵列组合实现多路高压电源输出。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种可扩展的高压检测控制单元，其特征在于：包括系统电源电路、MCU电路、数模转换电路、电阻分压电路、模数转换电路、高压模块、信号处理电路、外扩展存储电路、TCP/IP通讯电路、保护电路，所述MCU电路分别与外扩展存储电路、TCP/IP通讯电路、模数转换电路、保护电路、数模转换电路连接，所述数模转换电路依次通过高压模块、电阻分压电路与信号处理电路连接，所述信号处理电路分别与模数转换电路、保护电路连接，所述系统电源电路用于给高压检测控制单元提供电源；
高压检测控制单元，以高压模块为基础，通过MCU电路，实现整个系统的通信和逻辑控制，通过数模转换电路控制每一路高压模块的高压输出，经过电阻分压电路形成实际输出高压，模数转换电路实现分压信号的模拟采样，信号处理电路将电阻分压信号进行0位和满量程校准，提高采样的线性度，提高采样精度，外扩展存储电路和TCP/IP通讯电路，实现对整块高压检测控制单元的单路高压电源的独立可编程控制，保护电路，是在电路出现过流或过压时，产生保护信号，通知MCU电路将控制电压降为0V，切断高压输出；
以上电路组成高压检测控制单元，多个高压检测控制单元可以通过排列组合，实现多路电源信号输出。
本发明的有益效果是：
1、使用24V低压供电电路，通过脉冲振荡功放电路、升压变压器，将24V电压倍压为500V的直流高压，再通过倍压电路，将其升压最高可达5000V的直流高压输出。
2、通过特殊额滤波电路，可将整个电路的纹波控制在40mV以内。
3、采用各种小型电子元器件，在保证性能不变的条件下，在保证性能不变的条件下，缩小体积后，由多个模块单元可以组成一个高压检测控制单元，每个高压检测控制单元可以实现2路到16路高压通道输出，其不但可以单个模块制备便携式高压电源，也可以通过阵列组合实现多路高压电源输出。可以采用不同的机械结构，插入不同的高压机箱，组成高集成度的多路高压电源机柜。使用贴片元器件，可以使体积更小，重量减轻，便于贴片机大批量生产。
4、模块单元化；通过输入控制电路和模块控制电路，实现对单个模块的精确控制。
5、模块单元具有可扩展性，可以通过阵列方式组成多路输出电源。
总之，具有体积小巧，抗电磁干扰能力强，输出纹波低的特点。
附图说明
图1为本发明的多路高压电源检测控制单元原理流程图；
图2为本发明高压模块电路连接框图；
图3为本发明的系统电源电路电路图；
图4为本发明的MCU电路原理图；
图5为本发明的外扩存储器电路原理图；
图6为本发明的数模转换电路原理图；
图7为本发明的电阻分压电路原理图；
图8为本发明的信号处理电路原理图；
图9为本发明的模数转换电路原理图；
图10为本发明的保护电路原理图；
图11为本发明的TCP/IP通讯模块—485通讯电路原理图；
图12为本发明的TCP/IP通讯模块电路原理图；
图13为本发明的16输出高压检测控制单元原理图；
图14为本发明的高压检测控制单元某路输出信号纹波测试结果截图。
具体实施方式
如图1所示，一种可扩展的高压检测控制单元，其特征在于：包括系统电源电路、MCU电路、数模转换电路、电阻分压电路、模数转换电路、高压模块、信号处理电路、外扩展存储电路、TCP/IP通讯电路、保护电路，所述MCU电路分别与外扩展存储电路、TCP/IP通讯电路、模数转换电路、保护电路、数模转换电路连接，所述数模转换电路依次通过高压模块、电阻分压电路与信号处理电路连接，所述信号处理电路分别与模数转换电路、保护电路连接，所述系统电源电路用于给高压检测控制单元提供电源；
高压检测控制单元，以高压模块为基础，通过MCU电路，实现整个系统的通信和逻辑控制，通过数模转换电路控制每一路高压模块的高压输出，经过电阻分压电路形成实际输出高压，模数转换电路实现分压信号的模拟采样，信号处理电路将电阻分压信号进行0位和满量程校准，提高采样的线性度，提高采样精度，外扩展存储电路和TCP/IP通讯电路，实现对整块高压检测控制单元的单路高压电源的独立可编程控制，保护电路，是在电路出现过流或过压时，产生保护信号，通知MCU电路将控制电压降为0V，切断高压输出。
以上电路组成高压检测控制单元，多个高压检测控制单元可以通过排列组合，实现多路电源信号输出。
如图2所示，高压模块包括输入控制电路、比较控制电路、脉冲振荡功放电路、升压变压器、倍压电路、滤波电路、分压反馈电路、低压供电电源。
输入控制电路依次通过比较控制电路、脉冲振荡功放电路、升压变压器和倍压电路与滤波电路连接，倍压电路的输出通过分压反馈电路与比较控制电路连接，低压供电电源与比较控制电路连接。
采用24V低压电源供电，通过脉冲振荡功放电路、升压变压器，将24V电压倍压为500V的直流高压，再通过多级倍压电路，将其升压到3000V的直流高压输出，通过滤波电路，将整个电路的纹波控制在40mV以内。
如图3所示，系统电源电路具体连接为，电源模块U1的+Vin脚接电容C44、电阻R124的一端及二极管D1的负极，二极管D1的正极与接口J34的2、3脚连接，电阻R124的另一端接发光二极管D2的正极，电源模块U1的-Vin脚、电容C44的另一端、发光二极管D2的负极分别与接口J34的1、4脚连接，电源模块U1的COM脚接模拟地DGND。
系统电源电路用于给系统电源隔离，并提供正负5V的电源，二极管D1用于防反电压，保证系统电源的稳定性，电阻R124和发光二极管D2构成电源指示灯，用于指示电源工作状况，电容C44为电源输入提供滤波，电源模块U1是24V输入、正负5V输出隔离电源。
二极管D1型号可以是RS560，但不仅限于此型号，电源模块U1型号可以是HZD10-24D05，但不仅限于此型号。
如图4所示，MCU电路用于整个系统的通信和逻辑控制，单片机U1用于整个系统的自动控制和实时通信，温度传感器T1输出温度的模拟电压信号，用单片机U1MCU的10位AD实现温度采样，用于超温控制，电源模块U12给单片机U1MCU提供稳定的复位脉冲，电容C9和电阻R8构成滤波电路，用于MCU电路滤波。
单片机U1型号可以是PIC18F4620，但不仅限于此型号，温度传感器T1具体型号可以是LM35，但不仅限于此型号，电源模块U12具体型号可以是IMP809L，但不仅限于此型号。
如图5所示，外扩存储器电路，存储芯片U14的存储地址是16位，8K的存储空间可存储系统设置参数，保护设置参数掉电后不丢失，存储芯片U14采用串行通信，功能用于存储设置的目标电压，上限电流，上电斜率，上限温度参数。
存储芯片U14具体型号可以是24C64，但不仅限于此型号。
如图6所示，数模转换电路具体连接为，数模转换芯片U6的VDD脚一路通过电容C101接模拟地DGND，另一路接电源VCC，Vref脚接电容C8的一端及电压基准芯片U15的Vout脚，电容C8的另一端接地，电压基准芯片U15的VSS脚接地，VDD脚接电源VCC并通过电容C100接地。
数模转换电路通过MCU电路，控制数模转换芯片U6输出控制电压0至4V，控制高压的输出，数模转换芯片U6是一款16位的DA芯片，保证输出电压步进达到1V，它与MCU串行通信，实现高压模块控制信号的输出，控制信号通过继电器提供给高压模块，整个系统有四个数模转换电路，分别控制4个高压模块，电压基准芯片U15为数模转化芯片U6提供参考信号，电容C100、C8和C101是滤波电容。
控制数模转换芯片U6具体型号可以是DAC8551，但不仅限于此型号，电压基准芯片U15具体型号可以是REF3040，但不仅限于此型号。
如图7所示，电阻分压电路的主要功能是用于高压降压，将电压降低在AD采样芯片可接受的电压范围0—2V，3KV-1是高压模块的高压输出端，通过滤波卷L1滤波连接到分压电阻串，其中电阻R101至电阻R111为前臂分压，分压信号从A连接点输出到信号处理电路模块；电阻R201至电阻R211为后臂分压，分压信号从B连接点输出到信号处理电路模块，通过这两个信号采样输出的电压，根据压差和电阻R1A计算出电流，高压经过滤波卷L2滤波后输出，作为高压电源的实际输出电压。
如图8所示，信号处理电路具体连接为，运算放大器U16A的同相输入端3脚接地，反相输入端2脚和输出端1脚相接并分别与接口JP1的3脚、接口JP2的1脚连接，负电源端4脚接-VCC并通过电容C14接地，正电源端8脚接VCC，运算放大器U16B的同相输入端5脚通过电容C12接地，反相输入端6脚和输出端7脚相接并分别与接口JP1的1脚、接口JP2的3脚连接，负电源端4脚接-VCC，正电源端8脚接VCC并通过电容C15接地，运算放大器U17的同相输入端3脚与接口JP1的2脚连接，反相输入端2脚与接口JP2的2脚连接，调零端1脚（起到零位调节功能）分别接电阻R14、电阻R15的一端，电阻R14的另一端接可调电位器W01的控制端2脚，电阻R15的另一端一路接地，另一路通过电容C11接运算放大器U17的负电源端4脚及-VCC，运算放大器U17的正电源端7脚一路接VCC，另一路通过电容C12接模拟地，电位信号调节端5脚接可调电位器WF1的一端，可调电位器WF1的另一端与控制端相接并与运算放大器U17的输出端6脚连接。
运算放大器U18A的同相输入端3脚接模拟地，反相输入端2脚和输出端1脚相接并分别与接口JP3的3脚、接口JP4的1脚连接，负电源端4脚接-VCC并通过电容C15接地，正电源端8脚接VCC，
运算放大器U18B的同相输入端5脚通过电容C13接模拟地，反相输入端6脚和输出端7脚相接并分别与接口JP3的1脚、接口JP4的3脚连接，负电源端4脚接-VCC，正电源端8脚接VCC并通过电容C17接地，运算放大器U19的同相输入端3脚与接口JP3的2脚连接，反相输入端2脚与接口JP4的2脚连接，调零端1脚分别接电阻R16、电阻R17的一端，电阻R16的另一端接可调电位器W02的控制端2脚，电阻R17的另一端接模拟地，运算放大器U17的正电源端7脚接VCC，负电源端4脚接-VCC，电位信号调节端5脚接可调电位器WF2的一端，可调电位器WF2的另一端与控制端相接并与运算放大器U19的输出端6脚连接，电容C113的一端接-VCC，另一端接模拟地，电容C114的一端接VCC，另一端接模拟地。
信号处理电路主要功能是将电阻分压信号进行0位和满量程校准，提高采样的线性度，提高采样精度。
运算放大器U16用于提高信号输入阻抗，电阻R111和电阻R110连接点A输出的信号经过运算放大器U16的同相输入端5脚输入，接口JP1和接口JP2用于连接正负模块时改变跳线，改变信号极性。
运算放大器U17用于分压信号的零位调节和满量程调节，运算放大器U17的输出端6脚输出信号到模数转换电路AD转换芯片U2的1脚；可调电位器W01是零位调节，可调电位器WF1是满量程调节，电阻R14和电阻R15是分压电阻；电容C12至电容C17是滤波电容。
运算放大器U18用于提高信号输入阻抗，电阻R211和电阻R210连接点B输出的信号经过运算放大器U18B的同相输入端5脚输入，接口JP3和接口JP4用于连接正负模块时改变跳线，改变信号极性。
运算放大器U19用于分压信号的零位调节和满量程调节，运算放大器U19的输出端6脚输出信号到模数转换电路AD转换芯片U2的2脚，可调电位器W02是零位调节，可调电位器WF2是满量程调节，电阻R16和电阻R17是分压电阻，电容C111至电容C114是滤波电容。
运算放大器U16具体型号可以是LM358，但不仅限于此型号，
运算放大器U17具体型号可以是IN134，但不仅限于此型号，运算放大器U18具体型号可以是LM358，但不仅限于此型号，运算放大器U19具体型号可以是IN134，但不仅限于此型号。
如图9所示，模数转换电路主要功能是实现分压信号的模拟采样。
16位AD转换芯片U2和MCU串行通信，实现模拟信号到数字信号的转换。16位的AD采样保证输出高压千分之一的精度，电容C4是滤波电容。
AD转换芯片U2具体型号可以是ADS1112，但不仅限于此型号。
如图10所示，保护电路主要功能是在电路出现过流或者过压时，产生保护信号，通知MCU电路将控制电压降为0V，切断高压输出，运行放大器U20反相输入端2脚连接运行放大器U19的6脚，运行放大器U20的3脚连接运行放大器U17的6脚，差分信号方式获取过压和过流信号，电阻R18和电阻R19是调节信号比例电阻，电容C18和电容C19是滤波电容。
运行放大器U20具体型号可以是IN134，但不仅限于此型号。
如图11、12所示，TCP/IP通讯电路，核心器件是CMOS总线收发器MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片。采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能，MCU电路通过和接口芯片U10的1脚RXD、4脚TXD实现RS485通信，四个高压检测控制单元组成485通信网，然后通过U4和以太网串口数据转换模块U3，实现TCP/IP转换与控制PC机实现通信。
通过以上功能电路，我们可以实现一款阵列输出的高压检测控制单元，其基于高精度高压模块电路，可以通过组合输出，实现2~16路的单路可调高压电源输出。其中每一通道具有如下性能指标：
高压输出直流电压：0-±3000V可调。
电路输出直流电流：0-1mA。
输出电压时漂：≤0.5%
输出电压温度系数：≤0.02%/℃
输出电压纹波：≤30mV
电压调整分辨率：1V
供电电压：AC:220V±10%,50Hz。
此款高压检测控制单元，基于高压模块电源，采用各种小型电子元器件，在保证性能不变的条件下，缩小体积后，由多个模块单元可以组成一个高压检测控制单元，每个高压检测控制单元可以实现2路到16路高压通道输出。其不但可以单个模块制备便携式高压电源，也可以通过阵列组合实现多路高压电源输出。这款阵列式可扩展高压检测控制单元，可以采用不同的机械结构，插入不同的高压机箱，组成高集成度的多路高压电源机柜。
基于上述发明原理，以一款高精度高压模块电路为基础，通过单片机MCU电路，实现整个系统的通信和逻辑控制。通过数模转换电路控制每一路高压模块的高压输出，经过电阻分压电路形成实际输出高压。模数转换电路实现分压信号的模拟采样，信号处理电路将电阻分压信号进行0位和满量程校准，提高采样的线性度，提高采样精度。
外扩展存储电路和TCP/IP通讯电路，实现对整块高压检测控制单元的单路高压电源的独立可编程控制。
具体16路输出高压检测控制单元原理图如图13所示，一共使用16个高压检测控制单元，每个高压检测控制单元可以独立输出可调的高压信号；以上16路高压检测控制单元通过RS485总线和TCP/IP接口电路相连接，实现数据的电脑控制，用于实现对16路独立高压电源通道的实时控制和采样监测。
经过实际测试，该高压检测控制单元具有如下性能指标：
1.输出路数：16路
2.输出直流电压：0-±3000V
3.输出直流电流：0-1mA。
4.输出电压时漂：≤0.5%
5.输出电压温度系数：≤0.02%/℃
6.输出电压纹波：≤30mV
7.电压调整分辨率：1V
8.整机功耗：＜1500W
9.供电电压：AC:220V±10%,50Hz
10.过压、过流、超温保护。
如图14所示，为其中某一个高压通道测试纹波的情况，其在2000V输出时：Amp为8mV；Vp-Vp为34mV；Cycles为3us。