CN109343638A - 一种高精度低温漂双极性多通道恒流源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，包含动态积分电路、运算放大电路、恒流驱动电路、采样反馈电路、偏置调节电路和输出保护电路；作为输入级的所述动态积分电路，同相输入端连接外部DAC输入，反相输入端连接所述采样反馈电路，输出端连接所述运算放大电路；所述运算放大电路将其获取的电压信号转换为电流信号，送至作为输出级的所述恒流驱动电路进行电流放大后，一路送至所述采样反馈电路，另一路经所述输出保护电路向外部接插件输出；所述偏置调节电路连接动态积分电路的同相输入端来进行零位补偿。本发明可以实时调整运算放大器的输出电流，抵消因温度升高而产生的漂移，输出电流精度高，稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度低温漂双极性多通道恒流源电路。
背景技术
恒流源电路有着抗干扰性强、响应速度快和适合各种性质负载等优点，在各个行业中有着广泛的应用。其中，4-20毫安恒流源是最常用的模拟量输出接口，但是此类电路的最大输出电流往往小于30毫安。如果需要更大功率的输出电流，由于器件的发热量增大，恒流驱动电路的热量会影响到精密运算放大器的工作状态，产生非常严重的温度漂移，精度也会随之下降。若PCB板上同时存在多个通道恒流源电路时，整板的发热量更是会以几何级数增加，导致非常严重的精度损失。
在现有方案中，大多采用加装大尺寸散热器或风扇的方案，使热量尽快排出机箱外，但无论散热器还是风扇，其散热效果十分有限，电路在长时间工作后，依然会严重发热产生温度漂移，温度过高极易损坏器件，无法保证国防军工技术领域对稳定性和可靠性的要求。
基于上述缺陷，本发明提供一种高精度低温漂双极性多通道恒流源电路。
发明内容
为了解决上述电路中存在的稳定性差、发热严重、精度低和器件易损坏等缺陷，本发明提供了一种高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，采用动态积分技术，实时调整运算放大器的输出电流，抵消因温度升高而产生的漂移，输出电流精度高，稳定性好。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，包含动态积分电路、运算放大电路、恒流驱动电路、采样反馈电路、偏置调节电路和输出保护电路；
作为输入级的所述动态积分电路，同相输入端连接外部DAC输入，反相输入端连接所述采样反馈电路，输出端连接所述运算放大电路；
所述运算放大电路将其获取的电压信号转换为电流信号，送至作为输出级的所述恒流驱动电路进行电流放大后，一路送至所述采样反馈电路，另一路经所述输出保护电路向外部接插件输出；所述偏置调节电路连接动态积分电路的同相输入端来进行零位补偿。
可选地，所述动态积分电路包括运算放大器U1A、电阻R7、电阻R11和电容C7；电阻R7连接外部DAC输入和运算放大器U1A的同相输入端；电容C7和电阻R11分别连接运算放大器U1A的反相输入端和输出端。
可选地，所述恒流驱动电路包括恒流驱动芯片U2、比例电阻ROX1-ROX4；串联的电阻ROX1与电阻ROX3，与串联的电阻ROX2与电阻ROX4相互并联；恒流驱动芯片U2的输出端与比例电阻ROX1和ROX2的高端相连接。
可选地，所述运算放大电路包括运算放大器U1B、运算放大器U3A、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R12以及电容C6；电阻R8连接动态积分电路的输出端与运算放大器U1B同相输入端，电阻R9连接运算放大器U1B反相输入端与接地点，电阻R10连接在运算放大器U1B反相输入端与恒流驱动芯片U2的输出端之间，电容C6与电阻R10并联；运算放大器U3A为电压跟随器，其同相输入端连接比例电阻ROX3的低端，输出端与反相输入端连接，且输出端还通过连接电阻R12，将信号反馈至运算放大器U1B的同相输入端。
可选地，所述采样反馈电路包括仪表放大器U4、电容C11、电容C12和电阻R14-R18，电阻R14连接比例电阻ROX1的高端和接地点，电阻R18连接比例电阻ROX3的低端和接地点，电阻R15连接在仪表放大器的输入端VIN+和比例电阻ROX2的高端，电阻R17连接在仪表放大器的输入端VIN-和比例电阻ROX3的低端，仪表放大器U4的VO端通过连接电阻R16，将反馈信号输入至动态积分电路。
可选地，所述偏置调节电路包括电容C1、电阻R2、电阻R4、电阻R6和电位器R3，电阻R2连接-12V电源和电位器R3一端，电阻R4连接+12V和电位器R3另一端，电位器R3的公共点连接电阻R6一端，电阻R6另一端连接至动态积分电路的运算放大器U1A同相输入端。
可选地，所述输出保护电路包括电阻R13、瞬态阻断单元T1和气体放电管GDT1；电阻R13连接在比例电阻ROX4的低端与接地点之间，瞬态阻断单元T1串联在比例电阻ROX4的低端与整个恒流源电路的输出点之间，气体放电管GDT1并联在整个恒流源电路的输出点与大地之间。
可选地，所述运算放大器U1A和U3A为AD8512AR型；
所述恒流驱动芯片U2为BUF634F型；
所述仪表放大器U4为INA128UA型；
所述瞬态阻断单元T1为TBU-CA065-200-WH型；
所述气体放电管GD1为2031-23T-SM-RPLF型；
所述电阻R8、R9、R10、R12的阻值分别为205K欧姆；
所述功率电阻ROX1和ROX2的阻值为33欧姆；
所述功率电阻ROX3和ROX4的阻值为47欧姆。
可选地，所述偏置调节电路的静态输出的偏置电流小于10微安。
可选地，当有24个通道所述恒流源电路同时存在于一块PCB板上，各输出120毫安电流时，其整体漂移小于10微安。
本发明提供的一种高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，可同时输出多个通道恒流源，且各通道间无相互影响，有效解决了现有技术中稳定性差、发热严重、精度低和器件易损坏等问题，将传统恒流源电路的精度、温漂和可靠性大幅度提升。所选元器件尺寸小且集成度高，大幅缩小了PCB板的尺寸，可安装于便携式小型化设备中。
附图说明
图1为本发明所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路的系统框图。
图2为本发明所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路的原理图。
图3、图4是恒流源温漂曲线图。
图5、图6是恒流源时漂曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施方案做进一步的详细说明
如图1所示，本发明的一种高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，包括动态积分电路、运算放大电路、恒流驱动电路、采样反馈电路、偏置调节电路和输出保护电路。所述动态积分电路连接外部DAC输入与所述采样反馈电路，在所述运算放大电路转换后，送至所述恒流驱动电路，最后经所述输出保护电路与外部接插件相连。所述偏置调节电路具备零位补偿功能。
如图2所示，所述动态积分电路包括运算放大器U1A、电阻R7、R11和电容C7。电阻R7连接运算放大器U1A的同相输入，电容C7和电阻R11分别连接运算放大器U1A的反相输入和输出。
所述运算放大电路包括两路运算放大器U1B和U3A、电阻R8、R9、R10、R12以及电容C6。电阻R8连接动态积分电路的输出与运算放大器U1B同相输入，电阻R9连接运算放大器U1B反相输入与接地点，电阻R10连接运算放大器U1B反相输入与恒流驱动芯片U2的输出之间，电容C6与电阻R10并联，运算放大器U3A为电压跟随器，其同相输入连接比例电阻ROX3，输出连接电阻R12，将信号反馈至运算放大器U1B的同相输入。
所述恒流驱动电路包括恒流驱动芯片U2和比例电阻ROX1-ROX4，恒流驱动芯片U2的输出和比例电阻ROX1与ROX2相连，电阻ROX1与电阻ROX3串联，电阻ROX2与电阻ROX4串联，两组电阻串联后再并联。
所述采样反馈电路包括仪表放大器U4、电容C11、C12和电阻R14-R18，R14连接比例电阻ROX1的高端和接地点，R18连接比例电阻ROX3的低端和接地点，R15和R17分别串联在仪表放大器的输入端VIN+和VIN-，仪表放大器U4的VO与R16连接，R16将反馈信号输入至动态积分电路。
所述偏置调节电路包括电容C1、电阻R2、R4、R6和电位器R3，电阻R2连接-12V电源和电位器一端，电阻R4连接+12V和电位器另一端，电位器公共点连接电阻R6，电阻R6另一端连接至运算放大器同相输入端。
所述输出保护电路包括电阻R13、瞬态阻断单元T1和气体放电管GDT1。电阻R13并联在比例电阻的输出端与接地点之间，瞬态阻断单元T1串联在比例电阻的输出端与最终输出点之间，气体放电管GDT1并联在最终输出点与大地之间。本例的瞬态阻断单元T1为TBU-CA065-200-WH型；气体放电管GD1为2031-23T-SM-RPLF型。
其中，动态积分电路是整个恒流源电路的输入级，其同相端连接外部DA输入，反相端连接反馈回路，其中的R11和C7是两个关键器件，主要作用是使环路增益稳定，并且有足够的相位裕度，避免驱动容性负载或长电缆传输过程中产生自激震荡。同时，这两个器件的参数匹配也非常重要，既要保证整个电路的工作带宽，又要尽可能减小输出信号的漂移量。本例采用运算放大器芯片AD8512AR，积分时间由电容C7、电阻R7和电阻R11决定。当恒流源的输出电流发生漂移时，反馈电压同时变化，其变化趋势相同，从而影响运算放大器的输出，使电路达到动态平衡。
运算放大电路是将电压信号转换为电流信号，其中R8、R9、R10和R12选用精度为0.1％的高稳定性精密电阻，这四个电阻的都取相同阻值。在选择电阻值时，如果阻值过大，容易产生干扰；如果阻值过小，则恒流源的转换精度不佳。本例中，高稳定性精密电阻R8、R9、R10和R12的阻值为205K欧姆。运算放大器U3A(AD8512AR型)因其输入阻抗远远大于外部负载电阻，可以有效避免外部负载的变化对恒流源电路转换精度产生影响。
恒流驱动电路是整个恒流源电路的输出级，其作用将电流放大后输出。常规的双极性恒流源电路通常以PNP与NPN三极管对管的形式作为输出级，但即使是配对管，也无法保证参数的完全互补，而微小的参数差异就会影响到恒流源电路的输出精度。采用集成驱动器(恒流驱动芯片U2)，可有效解决这一不足，在提高输出精度的同时，其所使用的面积小于同等功率下的三极管。本例采用驱动芯片BUF634F，可输出最大300毫安电流。
恒流源电路在输出大电流时，比例电阻的发热非常严重，而电阻的温度上升会引起阻值的变化，巨大的热量堆积还使得芯片的工作性能发生变化，最终表现为整个恒流源电路的温度漂移。为避免这个问题，采用了四个1W功率电阻ROX1-ROX4串联后再并联的模式，增加散热面积，减小热量堆积，还可以采用贴片电阻的2012封装，进一步减小PCB板的面积。本例中，功率电阻ROX1和ROX2的阻值为33欧姆；功率电阻ROX3和ROX4的阻值为47欧姆。
采样反馈电路的核心是仪表放大器U4，其输入阻抗非常大，主要用于高压电流采集，本发明通过电阻参数的匹配，比例电阻上的电压值等于外部输入的电压值，因此采样反馈电路的采样点即为比例电阻的两端电压，将这个电压反馈到动态积分电路的反相输入端。当电路产生温度漂移导致输出电流减小时，比例电阻上的电压随之减小，此时反馈电压小于外部输入电压，运算放大器U1A反相输入电压小于同相输入电压，在运算放大器“虚短”的作用下，其输出电压增大，电流输出也相应增大，就抵消了温度漂移产生的误差。这个调节的过程速度非常快，在极短的时间内即可达到平衡状态。本例采用仪表放大器芯片INA128UA，反馈比例为1:1，将恒流源的输出电流在比例电阻上产生的电压，实时反馈到所述动态积分电路。
偏置调节电路用于消除整个电路的零位误差，在输入电压为0V的情况下，可调节输出电流值小于10微安。
输出保护电路采用了瞬态阻断单元和气体放电管双重保护模式，即使误将220V市电与电流输出端短路或野外使用中遭遇雷击等恶劣环境，也不会损坏内部恒流源电路。整个电路在断电后再次通电即可恢复正常工作模式。当有24个通道所述恒流源电路同时存在于一块PCB板上，各输出120毫安电流时，其整体漂移小于10微安。
图3和图4曲线在高低温试验箱环境中测得，温度范围从-40℃到80℃，每次温度调整后保持30分钟作数据记录。分别测试±30mA和±120mA四组电流，测试数据如下表所示：
| 输出电流(mA) | -30 | 30 | -120 | 120 |
| 最大温漂(uA) | 9.6 | 9.8 | 9.3 | 9.9 |
在整个温度范围内，输出电流在整个量程区间变化时，电流随温度的漂移量小于10微安。
图5和图6曲线在常温环境中测得，温度20℃，相对湿度60％。在通电后的1、5、10、30、60、120、360分钟时间点作数据记录。分别测试±30mA和±120mA四组电流，测试数据如下表所示：
| 输出电流(mA) | -30 | 30 | -120 | 120 |
| 最大时漂(uA) | 3.4 | 2.7 | 9.1 | 9.4 |
在整个时间范围内，输出电流在整个量程区间变化时，电流随时间的漂移量小于10微安。
综上所述，本发明提供了一种高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，通过动态积分调节技术，实现了恒流源精度的大幅度提高，同时也保证了其稳定性和可靠性。本发明可以在国防军工技术领域得到广泛应用，尤其在精密控制陀螺力矩、仿真模拟加速度计和控制电磁阀等方面，使用效果表现突出。除此之外，还可以推广至民用场合，例如航空、冶金和石油勘探等行业。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，其特征在于，包含动态积分电路、运算放大电路、恒流驱动电路、采样反馈电路、偏置调节电路和输出保护电路；
作为输入级的所述动态积分电路，同相输入端连接外部DAC输入，反相输入端连接所述采样反馈电路，输出端连接所述运算放大电路；
所述运算放大电路将其获取的电压信号转换为电流信号，送至作为输出级的所述恒流驱动电路进行电流放大后，一路送至所述采样反馈电路，另一路经所述输出保护电路向外部接插件输出；所述偏置调节电路连接动态积分电路的同相输入端来进行零位补偿。
2.如权利要求1所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，其特征在于，
所述动态积分电路包括运算放大器U1A、电阻R7、电阻R11和电容C7；电阻R7连接外部DAC输入和运算放大器U1A的同相输入端；电容C7和电阻R11分别连接运算放大器U1A的反相输入端和输出端。
3.如权利要求2所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，其特征在于，
所述恒流驱动电路包括恒流驱动芯片U2、比例电阻ROX1-ROX4；串联的电阻ROX1与电阻ROX3，与串联的电阻ROX2与电阻ROX4相互并联；恒流驱动芯片U2的输出端与比例电阻ROX1和ROX2的高端相连接。
4.如权利要求3所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，其特征在于，
所述运算放大电路包括运算放大器U1B、运算放大器U3A、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R12以及电容C6；电阻R8连接动态积分电路的输出端与运算放大器U1B同相输入端，电阻R9连接运算放大器U1B反相输入端与接地点，电阻R10连接在运算放大器U1B反相输入端与恒流驱动芯片U2的输出端之间，电容C6与电阻R10并联；运算放大器U3A为电压跟随器，其同相输入端连接比例电阻ROX3的低端，输出端与反相输入端连接，且输出端还通过连接电阻R12，将信号反馈至运算放大器U1B的同相输入端。
5.如权利要求4所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，其特征在于，
所述采样反馈电路包括仪表放大器U4、电容C11、电容C12和电阻R14-R18，电阻R14连接比例电阻ROX1的高端和接地点，电阻R18连接比例电阻ROX3的低端和接地点，电阻R15连接在仪表放大器的输入端VIN+和比例电阻ROX2的高端，电阻R17连接在仪表放大器的输入端VIN-和比例电阻ROX3的低端，仪表放大器U4的VO端通过连接电阻R16，将反馈信号输入至动态积分电路。
6.如权利要求5所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，其特征在于，
所述偏置调节电路包括电容C1、电阻R2、电阻R4、电阻R6和电位器R3，电阻R2连接-12V电源和电位器R3一端，电阻R4连接+12V和电位器R3另一端，电位器R3的公共点连接电阻R6一端，电阻R6另一端连接至动态积分电路的运算放大器U1A同相输入端。
7.如权利要求6所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，其特征在于，
所述输出保护电路包括电阻R13、瞬态阻断单元T1和气体放电管GDT1；电阻R13连接在比例电阻ROX4的低端与接地点之间，瞬态阻断单元T1串联在比例电阻ROX4的低端与整个恒流源电路的输出点之间，气体放电管GDT1并联在整个恒流源电路的输出点与大地之间。
8.如权利要求7所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，其特征在于，
所述运算放大器U1A和U3A为AD8512AR型；
所述恒流驱动芯片U2为BUF634F型；
所述仪表放大器U4为 INA128UA型；
所述瞬态阻断单元T1为TBU-CA065-200-WH型；
所述气体放电管GD1为2031-23T-SM-RPLF型；
所述电阻R8、R9、R10、R12的阻值分别为205K欧姆；
所述功率电阻ROX1和ROX2的阻值为33欧姆；
所述功率电阻ROX3和ROX4的阻值为47欧姆。
9.如权利要求1所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，其特征在于，
所述偏置调节电路的静态输出的偏置电流小于10微安。
10.如权利要求1-9中任意一项所述高精度低温漂双极性多通道恒流源电路，其特征在于，
当有24个通道所述恒流源电路同时存在于一块PCB板上，各输出120毫安电流时，其整体漂移小于10微安。
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2018
- 2018-10-26 CN CN201811258969.3A patent/CN109343638A/zh active Pending
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