CN109814647A - 一种宽量程且闭环控制的交流电流源及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子技术领域，公开了一种宽量程且闭环控制的交流电流源及处理方法。本发明交流电流源包括：V/I转换电路，用于将交流输入电压转换成交流电流输出，该输入电压为受控于闭环控制回路以实现量程可调的变量一；且该V/I转换电路还设有至少两个电阻并联，以通过通断组合改变并联电阻的总阻值而形成量程可调的变量二；该V/I转换电路的输出电流随变量一与变量二之商成线性变换；串联在该V/I转换电路与负载之间的采样电阻；该闭环控制回路用于根据该采样电阻的反馈数据计算得出调整该变量一所需的增量，并将该增量经数模转换器作用于V/I转换电路的输入端。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种宽量程且闭环控制的交流电流源及处理方法。
背景技术
随着科技的进步，电力电子技术的高速发展，许多先进的电子技术不断涌现，电子设备涉及的领域变得越来越宽泛，用电设备的种类也越来越多，与此同时对电气设备控制性能的要求及电源精度的要求也随之提高。稳压源和恒流源在仪器仪表、电子设备及高新技术产业中均占有重要地位，然而长期以来人们更多的致力对稳压源的研究，相比面言，人们对恒流源特别是交流电流源的研究、设计相对有限。随着电源高效率，高稳定性，高功率密度，模块化的发展，对电源的研究与开发越来越具有重要的意义和工程实价值。
恒流源是一种能输出恒定电流的电源。恒流源作为稳定电源的一个分支，在近五十年间得到了巨大发展，构成恒流源的核心器件已由早期的电真空结构的镇流管跨入到半导体集成电路阶段。涉及的范围也由传统的稳定电磁场、校正电流表等，扩展至半导体器件性能测试、传感器、医疗诊断仪器等应用中。
传统的恒流源的设计思路主要分为：用稳压源和电阻构成恒流源；用恒流器件构成恒流源；以及用负反馈放大器构成恒流源。几种恒流源的方式各有优势和缺点，分别适于几种特定的应用环境，同时，也为很多新颖的恒流电路的设计提供借鉴和依据。由于温度对集成运放参数影响不如对晶体管或场效应管参数影响之显著,由集成运放构成的恒流源具有稳定性更好,恒流性能更高的优点。在特殊应用领域中要求恒流源输出频率、幅度可调，同时具有良好的稳定性和精度，因此以单片机为控制核心的数控恒流源在通用性、稳定性以及可靠性方面有着很大优势。
鉴于以上，为了克服现有技术上存在的缺陷，提供了一种超高精度闭环控制、量程可切换的宽量程交流电流源。
发明内容
为了克服现有技术上存在的缺陷，本发明公开一种量程可切换、同时兼容闭环控制的宽量程高精度交流电流源。
为实现上述目的，本发明所公开宽量程且闭环控制的交流电流源包括：
V/I转换电路，用于将交流输入电压转换成交流电流输出，所述输入电压为受控于闭环控制回路以实现量程可调的变量一；且所述V/I转换电路还设有至少两个电阻并联，以通过通断组合改变并联电阻的总阻值而形成量程可调的变量二；所述V/I转换电路的输出电流随所述变量一与所述变量二之商成线性变换；
串联在所述V/I转换电路与负载之间的采样电阻；
所述闭环控制回路，包括连接所述采样电阻以实现所需反馈数据采集的模数转换器、与所述V/I转换电路输入端连接的数模转换器，以及连接在所述模数转换器与所述数模转换器之间的处理器；所述处理器用于根据所述采样电阻的反馈数据和所述变量二计算得出调整所述变量一所需的增量，并将所述增量经所述数模转换器作用于所述V/I转换电路的输入端。
为达上述目的，本发明还公开一种宽量程且闭环控制的交流电流源处理方法，包括：
以V/I转换电路将交流输入电压转换成交流电流输出，所述输入电压为受控于闭环控制回路以实现量程可调的变量一；且所述V/I转换电路还设有至少两个电阻并联，以通过通断组合改变并联电阻的总阻值而形成量程可调的变量二；所述V/I转换电路的输出电流随所述变量一与所述变量二之商成线性变换；
在所述V/I转换电路与负载之间设置一采样电阻，以及构造闭环控制回路，所述闭环控制回路包括连接所述采样电阻以实现所需反馈数据采集的模数转换器、与所述V/I转换电路输入端连接的数模转换器，以及连接在所述模数转换器与所述数模转换器之间的处理器；
根据负载的目标环境参数确定所述变量二所对应的并联电阻通断组合关系，并以所述闭环控制回路的处理器根据所述采样电阻的反馈数据和所述变量二计算得出调整所述变量一所需的增量，并将所述增量经所述数模转换器作用于所述V/I转换电路的输入端。
本发明宽量程且闭环控制的交流电流源及其处理方法具有以下有益效果：
V/I转换电路结合闭环控制，抑制并降低了元器件非线性变化特性、噪声干扰及温漂等对电流源的影响，确保了输出电流的高精度控制。而且，本发明电路简单且性能稳定可控，在V/I转换电路和闭环控制回路的作用下，V/I转换电路的输出电流随变量一和变量二的变化而进行相应的量程切换，实现了量程可切换，通过改变变量一和/或变量二，在实际应用中，其宽量程可实现从纳安到毫安级的切换。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的V/I转换电路原理示意图；
图2是本发明优选实施例的V/I转换电路的量程可变原理示意图；
图3是本发明优选实施例的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种宽量程且闭环控制的交流电流源，包括：
V/I转换电路，用于将交流输入电压转换成交流电流输出，所述输入电压为受控于闭环控制回路以实现量程可调的变量一；且所述V/I转换电路还设有至少两个电阻并联，以通过通断组合改变并联电阻的总阻值而形成量程可调的变量二；所述V/I转换电路的输出电流随所述变量一与所述变量二之商成线性变换；
串联在所述V/I转换电路与负载之间的采样电阻；
所述闭环控制回路，包括连接所述采样电阻以实现所需反馈数据采集的模数转换器、与所述V/I转换电路输入端连接的数模转换器，以及连接在所述模数转换器与所述数模转换器之间的处理器；所述处理器用于根据所述采样电阻的反馈数据和所述变量二计算得出调整所述变量一所需的增量，并将所述增量经所述数模转换器作用于所述V/I转换电路的输入端。
优选地，本实施例V/I转换电路包括：
输入端Vin，与所述数模转换器连接，并经电阻RS连接第二运算放大器U2的正相输入端；
所述第二运算放大器U2的正相输入端还经电阻RC连接第三运算放大器U3的输出端；所述第二运算放大器U2的反相输入端经电阻R2接地，所述第二运算放大器U2的输出端与反相输入端之间连接有电阻Rf，所述第三运算放大器U3的输出端与反相输入端之间连接有电阻R3；
所述第三运算放大器U3的正相输入端在经改变所述变量二的至少两个以上并联电阻连接所述第二运算放大器U2的输出端之后向负载R0输出电流I0。
当所述数模转换器输出的是差模电压信号时，所述V/I转换电路还包括：连接在所述数模转换器与所述电阻RS之间的用于信号转换的第一运算放大器。
有关本实施例V/I转换电路的结构及原理可参照图1和图2。
在图1中，DAC输出差模电压信号，经运放U1得到输入电压Vin，Vin的范围与DAC输出电气参数有关，根据运放虚短原理，可得：
U+＝U- 公式(1)
UO＝U3 公式(2)；
根据运放虚断原理，可得：
联立上述公式(1)至公式(5)，可得V/I转换电路的输出电流随变量一Vin与R1之商成线性变换。例如：取R2＝RS＝RC＝Rf，依据式(1)(2)(3)(4)(5)，可以算出：
进一步地，为了提供量程可切换，如图2所示，将图1中的R1改成多组电阻的并联，即并联多组电阻R1、R2、R3…Rn，由R总的倒数等于各分电阻的倒数之和，可得藉此，若根据上述的只需改变R总的值，便可改变输出电流I0的值，根据负载功率不同，利用开关通断组合不同电阻，改变R总来改变IO，由此来产生宽电流输出。
值得说明的是：有关图1和图2所示的V/I转换电路，本领域技术人员还能轻易想见其他的多种变形或等同替换，此种变形或等同替换皆属于本发明的保护范围，不展开进行一一赘述。
进一步地，参照图3，本实施例闭环控制回路可包括：连接所述模数转换器的DSP，所述DSP经数模转换器连接所述V/I转换电路；其中，DSP与ADC及DAC之间以SPI进行通信。相对应的，在具体的闭环调节过程中，由DSP根据采样电阻的所反馈的当前输入电压与当前电流的对应关系，以及目标电流与当前电流的差值计算得出变量一所需的增量。优选地，本实施例采样电阻为低温漂0.2ppm以上的采样电阻，模数转换器的精度为32位，所述数模转换器的精度为24位；藉此可确保本实施例交流电流源的精度在0.01％以上。采用的24位DAC，理论上输出电压最小精度为：
上式中，n为DAC位数，VREF为DAC参考基准电压。通常，DAC输出电压可达μV级别，然后再结合变量二电阻的取值，输出交流范围可从nA级别到mA级别，最终实现量程可变，产生宽电流输出，范围从nA级别到mA级别。
在图3的具体运作中，32位超高精度ADC对电阻进行采样，采样后的差模电压信号经处理后输送至DSP处理器，采样回来的反馈信号与DSP处理器预置值比较并进行修正，然后送出调整后的信号，再输出新的电流，经24位DAC、V/I转换电路，整个信号链路形成闭环控制，同时为超高精度输出提供可能。
综上，本实施例公开的稳压电流源，可组合业界前沿技术的高精度DAC和ADC转换芯片，结合满足性能要求的V/I变换电路，实现高达nA级的高精度交流电流输出。通过改变R总的值，使得输出量程可变，产生宽电流输出，范围从nA级别到mA级别。同时满足高精度闭环控制的特点。
值得说明的是：本实施例中的超高精度性能需由闭环控制回路中的高精度数模转换器、高精度模数转换器和V/I转换电路共同完成，三个功能模块的电路都需要满足指标参数要求才能提供超高精度输出，缺一不可。
实施例2
与上述实施例1相对应的，本实施例公开一种宽量程且闭环控制的交流电流源处理方法，包括以下步骤：
步骤S1、以V/I转换电路将交流输入电压转换成交流电流输出，该输入电压为受控于闭环控制回路以实现量程可调的变量一；且该V/I转换电路还设有至少两个电阻并联，以通过通断组合改变并联电阻的总阻值而形成量程可调的变量二；该V/I转换电路的输出电流随该变量一和变量二的变化而进行相应的量程切换，且所述V/I转换电路的输出电流随所述变量一与所述变量二之商成线性变换。
步骤S2、在该V/I转换电路与负载之间设置一采样电阻，以及构造闭环控制回路，该闭环控制回路包括连接所述采样电阻以实现所需反馈数据采集的模数转换器、与所述V/I转换电路输入端连接的数模转换器，以及连接在所述模数转换器与所述数模转换器之间的处理器。
步骤S3、根据负载的目标环境参数确定该变量二所对应的并联电阻通断组合关系，并以闭环控制回路的处理器根据所述采样电阻的反馈数据和所述变量二计算得出调整所述变量一所需的增量，并将所述增量经所述数模转换器作用于所述V/I转换电路的输入端。
可选的，本实施例闭环控制回路处理器采用DSP，在具体地闭环控制过程中，还包括：
该DSP根据采样电阻的所反馈的当前输入电压与当前电流的对应关系，以及目标电流与当前电流的差值计算得出该变量一所需的增量。
综上，本实施例上述实施例公开的交流电流源及其处理方法，具有下述有益效果：
V/I转换电路结合闭环控制，抑制并降低了元器件非线性变化特性、噪声干扰及温漂等对电流源的影响，确保了输出电流的高精度控制。而且，本发明电路简单且性能稳定可控，在V/I转换电路和闭环控制回路的作用下，V/I转换电路的输出电流随变量一和变量二的变化而进行相应的量程切换，实现了量程可切换，通过改变变量一和/或变量二，在实际应用中，其宽量程可实现从纳安到毫安级的切换。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种宽量程且闭环控制的交流电流源，其特征在于，包括：
V/I转换电路，用于将交流输入电压转换成交流电流输出，所述输入电压为受控于闭环控制回路以实现量程可调的变量一；且所述V/I转换电路还设有至少两个电阻并联，以通过通断组合改变并联电阻的总阻值而形成量程可调的变量二；所述V/I转换电路的输出电流随所述变量一与所述变量二之商成线性变换；
串联在所述V/I转换电路与负载之间的采样电阻；
所述闭环控制回路，包括连接所述采样电阻以实现所需反馈数据采集的模数转换器、与所述V/I转换电路输入端连接的数模转换器，以及连接在所述模数转换器与所述数模转换器之间的处理器；所述处理器用于根据所述采样电阻的反馈数据和所述变量二计算得出调整所述变量一所需的增量，并将所述增量经所述数模转换器作用于所述V/I转换电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的宽量程且闭环控制的交流电流源，其特征在于，所述V/I转换电路包括：
输入端Vin，与所述数模转换器连接，并经电阻RS连接第二运算放大器U2的正相输入端；
所述第二运算放大器U2的正相输入端还经电阻RC连接第三运算放大器U3的输出端；所述第二运算放大器U2的反相输入端经电阻R2接地，所述第二运算放大器U2的输出端与反相输入端之间连接有电阻Rf，所述第三运算放大器U3的输出端与反相输入端之间连接有电阻R3；
所述第三运算放大器U3的正相输入端在经改变所述变量二的至少两个以上并联电阻连接所述第二运算放大器U2的输出端之后向负载R0输出电流I0。
3.根据权利要求2所述的宽量程且闭环控制的交流电流源，其特征在于，当所述数模转换器输出的是差模电压信号时，所述V/I转换电路还包括：
连接在所述数模转换器与所述电阻RS之间的用于信号转换的第一运算放大器。
4.根据权利要求1、2或3所述的宽量程且闭环控制的交流电流源，其特征在于，所述模数转换器的精度位数大于或等于24位以实现输出电压μV级别，以结合所述变量二电阻的取值使得所述V/I转换电路的输出电流范围从nA级别到mA级别；相对应的，所述数模转换器的精度位数大于或等于24位。
5.根据权利要求1、2或3所述的宽量程且闭环控制的交流电流源，其特征在于，所述采样电阻为低温漂0.2ppm以上的采样电阻。
6.一种宽量程且闭环控制的交流电流源处理方法，其特征在于，包括：
以V/I转换电路将交流输入电压转换成交流电流输出，所述输入电压为受控于闭环控制回路以实现量程可调的变量一；且所述V/I转换电路还设有至少两个电阻并联，以通过通断组合改变并联电阻的总阻值而形成量程可调的变量二；所述V/I转换电路的输出电流随所述变量一与所述变量二之商成线性变换；
在所述V/I转换电路与负载之间设置一采样电阻，以及构造闭环控制回路，所述闭环控制回路包括连接所述采样电阻以实现所需反馈数据采集的模数转换器、与所述V/I转换电路输入端连接的数模转换器，以及连接在所述模数转换器与所述数模转换器之间的处理器；
根据负载的目标环境参数确定所述变量二所对应的并联电阻通断组合关系，并以所述闭环控制回路的处理器根据所述采样电阻的反馈数据和所述变量二计算得出调整所述变量一所需的增量，并将所述增量经所述数模转换器作用于所述V/I转换电路的输入端。
7.根据权利要求6所述的宽量程且闭环控制的交流电流源处理方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述处理器根据采样电阻的所反馈的当前输入电压与当前电流的对应关系，以及目标电流与当前电流的差值计算得出所述变量一所需的增量。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |