可编程电压驱动电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及一种可编程电压驱动电路。

背景技术

在伪装技术领域，电致变色器件的研究日渐成为重要发展方向，基于聚苯胺的有机电致变色材料因其变色范围广(可见光-近、中红外)、柔韧性好、响应迅速、易加工并且能够与多种材料复合制备等优势，成为可见光-红外兼容伪装材料的研究热点。通过实验可知，当加载偏置电压为-0.25V时，聚苯胺薄膜颜色呈黄色，当施加0.5V的偏置电压时，薄膜呈绿色，并且聚苯胺薄膜在-0.3V～1.2V的偏置电压下，呈现出两对可逆的氧化还原峰，表明材料从还原态逐渐向氧化态过渡的过程。外加电压对聚苯胺薄膜颜色具有决定性作用，为了实现良好的伪装效果，必须精准把握聚苯胺薄膜的颜色变化，来达到适应各种场景的伪装变换。然而，在实现本发明的过程中，发明人发现传统的驱动电路只能够实现正电压下的氧化过程，无法实现颜色的动态变化。

发明内容

针对上述传统方法中存在的问题，本发明提出了一种可编程电压驱动电路，能够满足基于聚苯胺的电致变色器件对于氧化和还原两个过程所需的正负电压的需求以及实现驱动电压高精度可编程设计。

为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一方面，提供一种可编程电压驱动电路，包括现场可编程门阵列、数模转换模块、减法器、驱动缓冲器和板载电源管理器；

现场可编程门阵列的控制输出端连接数模转换模块的控制输入端，数模转换模块的供电端连接板载电源管理器的输出端，数模转换模块的转换电压输出端连接减法器的反相输入端，数模转换模块的参考电压输出端连接减法器的同相输入端，减法器的输出端连接驱动缓冲器的同相输入端，驱动缓冲器的反相输入端接地，驱动缓冲器的输出端用于向电致变色器件输出驱动电压；

板载电源管理器用于输出正直流电压和负直流电压，现场可编程门阵列用于对数模转换模块的输出电压进行精确编程控制，驱动缓冲器用于隔离前后级影响。

在其中一个实施例中，板载电源管理器包括正电压输出单元和负电压输出单元，正电压输出单元的输出端分别连接负电压输出单元的电压输入端和数模转换模块的供电端，负电压输出单元的输出端连接数模转换模块的供电端；

正电压输出单元用于输出+5V的正直流电压，负电压输出单元用于输出-5V的负直流电压。

在其中一个实施例中，正电压输出单元为TYPE-C接口电路，负电压输出单元为DC-DC电源。

在其中一个实施例中，数模转换模块包括数模转换器和线性稳压器，数模转换器的供电端通过线性稳压器连接板载电源管理器的输出端，数模转换器的数据输入接口、时钟接口和片选信号接口分别连接现场可编程门阵列的各相应控制输出端，数模转换器的转换电压输出端连接减法器的反相输入端，数模转换器的参考电压输出端连接减法器的同相输入端。

在其中一个实施例中，减法器包括运算放大器U3A、电阻R12、电阻R13和电阻R14，运算放大器U3A的反相输入端通过电阻R12连接数模转换器的转换电压输出端，运算放大器U3A的反相输入端通过电阻R13连接数模转换器的参考电压输出端，运算放大器U3A的输出端通过电阻R14连接驱动缓冲器的同相输入端。

在其中一个实施例中，驱动缓冲器包括运算放大器U3B和电阻R8，运算放大器U3B的同相输入端连接电阻R14的一端，运算放大器U3B的反相输入端通过电阻R8接地。

在其中一个实施例中，现场可编程门阵列通过状态机执行串行数据写入的控制。

在其中一个实施例中，DC-DC电源为LM27761芯片。

在其中一个实施例中，数模转换器为AD5676R芯片。

在其中一个实施例中，运算放大器U3A为OPA2677芯片。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

上述可编程电压驱动电路，通过采用现场可编程门阵列、数模转换模块、减法器、驱动缓冲器和板载电源管理器的电路结构，构建出所需的高精度可编程电压驱动电路，通过板载电源管理器可以向数模转换模块提供正直流电压和负直流电压输出，而现场可编程门阵列则可以提供可编程的电压控制方式，实现对数模转换模块的输出电压的高精度可编程控制，从而实现正负两种可编程驱动电压的产生和输出，最后通过减法器提供电路正常工作所需的高输出电流和低失真控制，利用驱动缓冲器进行前后级影响的隔离，从而最终对外电致变色器件提供高精度可编程的稳定驱动电压。如此，满足了基于聚苯胺的电致变色器件对于氧化和还原两个过程所需的正负电压的需求，实现了驱动电压高精度可编程的设计。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中可编程电压驱动电路的架构框图；

图2为另一个实施例中可编程电压驱动电路的架构框图；

图3为一个实施例中TYPE-C接口电路及其外围电路的结构示意图；

图4为一个实施例中DC-DC电源及其外围电路的结构示意图；

图5为一个实施例中数模转换模块的电路结构示意图；

图6为一个实施例中减法器的电路结构示意图；

图7为一个实施例中驱动缓冲器的电路结构示意图；

图8为一个实施例中现场可编程门阵列FPGA的时序示意图；

图9为一个实施例中现场可编程门阵列FPGA的状态机示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置展示该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。

本领域技术人员可以理解，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

通过实验可知，外加电压的精度需要达到毫伏级别，如果采用高精度的硬件产品则会产生较高的成本，而为了降低成本选取低精度的硬件产品则达不到聚苯胺的变色控制精度要求。因此需要选取兼备一定的精度以及较低成本的DAC，通过逻辑和驱动的组合，来实现基于聚苯胺的电致变色器件的控制。

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施方式进行详细说明。

在一个实施例中，如图1所示，本申请实施例提供了一种可编程电压驱动电路，包括现场可编程门阵列11、数模转换模块12、减法器13、驱动缓冲器14和板载电源管理器15。现场可编程门阵列11的控制输出端连接数模转换模块12的控制输入端。数模转换模块12的供电端连接板载电源管理器15的输出端。数模转换模块12的转换电压输出端连接减法器13的反相输入端。数模转换模块12的参考电压输出端连接减法器13的同相输入端。减法器13的输出端连接驱动缓冲器14的同相输入端。驱动缓冲器14的反相输入端接地。驱动缓冲器14的输出端用于向电致变色器件输出驱动电压。板载电源管理器15用于输出正直流电压和负直流电压。现场可编程门阵列11用于对数模转换模块12的输出电压进行精确编程控制。驱动缓冲器14用于隔离前后级影响。

上述可编程电压驱动电路，通过采用现场可编程门阵列11、数模转换模块12、减法器13、驱动缓冲器14和板载电源管理器15的电路结构，构建出所需的高精度可编程电压驱动电路，通过板载电源管理器15可以向数模转换模块12提供正直流电压和负直流电压输出，而现场可编程门阵列11则可以提供可编程的电压控制方式，实现对数模转换模块12的输出电压的高精度可编程控制，从而实现正负两种可编程驱动电压的产生和输出，最后通过减法器13提供电路正常工作所需的高输出电流和低失真控制，利用驱动缓冲器14进行前后级影响的隔离，从而最终对外电致变色器件提供高精度可编程的稳定驱动电压。如此，满足了基于聚苯胺的电致变色器件对于氧化和还原两个过程所需的正负电压的需求，实现了驱动电压高精度可编程的设计。

需要说明的是，上述现场可编程门阵列11、数模转换模块12、减法器13、驱动缓冲器14和板载电源管理器15等各个模块，均可以分别采用市面上现有的各相应芯片模块/电路，具体类型则可以根据所需驱动的基于聚苯胺的电致变色器件对驱动电压的需要来确定，只要能够通过将各芯片模块/电路按照本申请上述可编程电压驱动电路的电路结构设计进行接线上电，从而产生所需的驱动电压输出均可。

在一个实施例中，如图2所示，板载电源管理器15包括正电压输出单元151和负电压输出单元152。正电压输出单元的输出端分别连接负电压输出单元的电压输入端和数模转换模块12的供电端。负电压输出单元的输出端连接数模转换模块12的供电端。正电压输出单元用于输出+5V的正直流电压，负电压输出单元用于输出-5V的负直流电压。

可以理解，板载电源管理器15主要用于输出数模转换模块12的电路所需要的+5V直流电压和-5V直流电压，因此，板载电源管理器15可以采用正电压输出单元和负电压输出单元分别产生前述两种直流电压输出，正电压输出单元可以采用本领域中现有的各型直流电压转换器来实现，只要能够用于将外部输入电源的电压转换为+5V的直流电压输出均可，而负电压输出单元则可以采用本领域中现有的各型DC-DC转换器来实现，只要能够用于将+5V的直流电压转换为-5V的直流电压输出均可。通过设计双电压输出单元分别产生+5V直流电压和-5V直流电压输出，电路结构简洁且可靠性高，成本低。

在一个实施例中，进一步的，如图3所示，正电压输出单元为TYPE-C接口电路，负电压输出单元为DC-DC电源。

可以理解，在本实施例中，采用了市面上现有的TYPE-C接口电路(记为USB1)和DC-DC电源(记为U1)来直接实现上述+5V直流电压和-5V直流电压输出功能，需要说明的是，本领域技术人员可以理解前述所说的TYPE-C接口电路和DC-DC电源，除了指其芯片电路本身之外，还包括芯片电路固有的相应外围电路，用于保证电路本身功能的正常实现。例如TYPE-C接口电路USB1可以采用TYPE-C-31-M-16接口电路实现，其管脚B9对应为供电引脚VBUS，VBUS经过保险丝F1和滤波后直接得到+5V直流电压VCC-5V。其中，C1、C2和C3为外围电路中的电容器件，R4和R5为外围电路中的电阻，管脚B12、A5、B5、A9、A12以及管脚1-4等，其具体功能可以参照TYPE-C-31-M-16接口电路的具体结构及其说明同理理解，本说明书中不做展开详述。

进一步的，DC-DC电源为LM27761芯片。如图4所示，可选的，DC-DC电源U1可以采用现有的LM27761芯片，其引脚1对应VIN端，经过保险丝F2连接到+5V直流电压；引脚4对应VOUT端，经保险丝F3和滤波接地。引脚6对应EN(使能)端，输出-5V直流电压。+5V直流电压经电阻R2接入发光二极管LED1再接地，可以作为电源提示信号灯。其中，C4、C6-C11和C13-C18为外围电路中的电容器件，R1、R2、R5、R6和R10为外围电路中的电阻，以及管脚1-9，其具体功能可以参照LM27761芯片及其外围电路的具体结构与说明同理理解，本说明书中不做展开详述。可以有效降低负电压产生成本。

在一个实施例中，如图5所示，数模转换模块12包括数模转换器和线性稳压器。数模转换器的供电端通过线性稳压器连接板载电源管理器15的输出端。数模转换器的数据输入接口、时钟接口和片选信号接口分别连接现场可编程门阵列11的各相应控制输出端。数模转换器的转换电压输出端连接减法器13的反相输入端，数模转换器的参考电压输出端连接减法器13的同相输入端。

可以理解，数模转换模块12主要由数模转换器(记为U2)及其外围电路，以及一个线性稳压器U3及其外围电路共同组成，这些电路内部之间的连接关系可以参照具体采用现有转换器及线性稳压器等电路本身的电路构造同理理解，本说明书中不做展开详述。通过上述数模转换器和线性稳压器可以较低的成本和较高的可靠性支持可编程控制下的电压转换输出。

进一步的，数模转换器U2为AD5676R芯片，如图5所示，U2的引脚4、引脚5、引脚6、引脚7、引脚14和引脚17分别对应VLOGIC端、

进一步地，数模转换器U2的SCLK端和SDI端分别经电阻R19和电阻R20连接到RSTSEL端和RESET端，再分别经电阻R22和电阻R23接地。引脚15和引脚18分别对应LDAC端和VREF端，分别经电阻R26和电容C24并联接地。引脚20对应VOUT，由于该芯片有8个输出通道，引脚1、2、9、10、11、12、19和20都可以作为VOUT端。

在一个实施例中，如图6所示，减法器13包括运算放大器U3A、电阻R12、电阻R13和电阻R14。运算放大器U3A的反相输入端通过电阻R12连接数模转换器的转换电压输出端。运算放大器U3A的反相输入端通过电阻R13连接数模转换器的参考电压输出端。运算放大器U3A的输出端通过电阻R14连接驱动缓冲器14的同相输入端。

可以理解，减法器13具体可以包括运算放大器U3A及其外围电路，进一步的，运算放大器U3A为OPA2677芯片，其引脚5和引脚6分别对应同相输入端和反相输入端。数模转换器U2的VOUT端经电阻R12连接到运算放大器U3A的反相输入端，参考电压VREF端经电阻R13连接到运算放大器U3A的同相输入端，再经电阻R16接地。其余的元件如电阻R11、电容C12、电阻R15和电阻R17为预留元件，可用扩展不同的功能，此处不需要焊接。引脚7对应为运算放大器U3A的输出端，经电阻R14连接到缓冲驱动器的同相输入端。通过上述运算放大器U3A及其外围电路，可以高效地提供所需的高输出电流和低失真功能。

在一个实施例中，如图7所示，驱动缓冲器14包括运算放大器U3B和电阻R8，运算放大器U3B的同相输入端连接电阻R14的一端，运算放大器U3B的反相输入端通过电阻R8接地。

可以理解，缓冲驱动器模块具体可以包括运算放大器U3B及其外围电路，本实施例中的运算放大器U3B可以采用OPA2677芯片电路，其引脚3和引脚2分别对应同相输入端和反相输入端。运算放大器U3B的反相输入端经电阻R8接地。引脚1对应POUT，用于输出电致变色器件所需要的驱动电压。通过采用上述运算放大器U3B及其外围电路，高效隔离前后级之间的影响，同时增强对电致变色器件的驱动能力。

在一个实施例中，现场可编程门阵列11通过状态机执行串行数据写入的控制。

具体的，数模转换器U2中的

SDI为串行数据输入，数据在串行时钟输入的下降沿读入寄存器，一共为24bit数据位，第一到第四位为控制方式，选取命令0010，实现写入输入寄存器的功能，上电时将数据写入。第五位到第八位为控制通道，即所选取的DAC，选取地址位0000，表示选取通道0来输入数据，以此类推，0111表示通道8。后十六位为控制数据，根据时序发送SPI(串行外设接口)信号，用来控制输出的电压，当16位宽数据全为0时，表示输出电压为0，16位宽数据全为1时，表示输出电压为满量程电压。这24位数据均可根据实际需求进行调整。

在现场可编程门阵列11中，其串行数据写入模块功能可以用一个状态机来实现，状态机的状态转换图如图9所示。通过状态机的操作来执行三种指令的执行操作。各个状态的含义可以如下：

IDLE：空闲态；

LOAD：开始写入数据态；

FINISH：完成一个周期写入数据完成态；

SHIFT：写入数据态。

该状态机的具体操作过程如下：在SCLK的下降沿，执行的操作如下：若当前状态为IDLE，则不做任何处理，维持数据位空载，根据start(开始)指令来确定下一状态是IDLE还是LOAD。若当前状态跳转到LOAD，则跳转到SHIFT，写入移位寄存器中的数据，写完24bit数据后则跳转到FINISH。

综上，上述可编程电压驱动电路的设计中，经现场可编程门阵列11(FPGA)编程，可以实现对输出的驱动电压的编程控制；板载电源管理器15能够输出正电压和负电压，实现基于聚苯胺的电致变色器件的氧化还原两个过程的动态变化；数模转换模块12的电源连接的LDO(低压差线性稳压器)能将板载电源管理器15输出的±5V电压降为±3.3V电压来驱动芯片，能达到±3LSB(最低有效位)的高相对精度；减法器13和驱动缓冲器14作为中间级，可以隔离前后级之间的影响，同时增强其驱动能力。

与传统技术相比，本发明设计了一种可以用于基于聚苯胺的电致变色器件的高精度可编程电压驱动电路，能实现聚苯胺薄膜颜色动态变化的电压控制，并且通过较低的硬件成本以及现场可编程门阵列FPGA的驱动设计，满足聚苯胺薄膜对于电压精度的要求。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可做出若干变形和改进，都属于本申请保护范围。因此本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。