CN109991452A - 一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信号发生器技术领域，具体涉及一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源。本发明包括1通道和2通道，1通道中运放A1的同相输入端连接输入电压和接地电阻，运放A1的反相输入端与输出端之间并联设置若干条支路，每条支路上设有电阻和开关；1通道中运放A2的同相输入端连接输入电压和接地电阻，运放A2的反相输入端与输出端之间并联设置若干条支路，每条支路上设有电阻和开关；运放A1输出端和运放A2的输出端相连之后通过负载电阻接地。本发明兼顾输出电流可变化和覆盖范围大两方面的技术要求，能够在至少7个数量级范围内实现任意波形输出。
Description
技术领域
本发明属于信号发生器技术领域，具体涉及一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源。
背景技术
反应堆核测量领域中探测器把中子通量信号转化为电流信号，因此核测量仪表中有一种可以测量10-10A至10-3A或者10-11A至10-4A的电流测量仪表，在核测及非核测领域，这类电流测量仪表由于测量的电流起点很小因此要求输入阻抗在1012Ω以上，以避免电流泄漏影响测量。测量仪表应该有相应的信号源来开展这种仪表的校准和试验。
现有技术中通常在实验室中使用标准电流源，这类信号源能够输出稳定值，但其无法在多数量级(如7个以上数量级)范围内实现任意波形输出。而对于测量仪表而言各个单点测量准确是一种测量要求，能够测量信号的变化率也是一种测量要求。
现有技术中还有一种连续变化的信号源，采用程控电压经过一个固定电阻的方式实现程控可变化的电流。例如，在0.01V至10V变化的程控电压，通过1MΩ的电阻可以实现10-8A至10-5A的电流变化。这类仪表存在如下缺陷：一是范围最多3至4个量级，二是0.01V的程控电压起点很难保证准确。
综上所述，现有技术中能够实现多数量级(7个以上数量级)覆盖范围的信号源不能实现连续变化、能够实现连续变化的信号源只能覆盖最多3个数量级且低端准确性很差，即现有技术中的电流信号源难以兼顾输出电流可变化和覆盖范围大两方面的技术要求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：提出一种电流信号源，兼顾输出电流可变化和覆盖范围大两方面的技术要求，能够在至少7个数量级范围内实现任意波形输出。
本发明的技术方案如下所述：
一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源，为双通道程控覆盖多数量级电流信号源：
所述电流信号源包括运放A1和运放A2；
对于1通道，运放A1的同相输入端连接输入电压Vin1，运放A1的同相输入端还通过接地电阻R10接地；运放A1的反相输入端与输出端之间并联设置n1条支路，每条支路上设有电阻R1p和开关S1p，p＝1,2,…,n1，且同一时间1通道只有一条支路的开关处于闭合状态，其余支路的开关均处于断开状态；
对于2通道，运放A2的同相输入端连接输入电压Vin2，运放A2的同相输入端还通过接地电阻R20接地；运放A2的反相输入端与输出端之间并联设置n2条支路，每条支路上设有电阻R2q和开关S2q，q＝1,2,…,n2，且同一时间2通道每次只有一条支路的开关处于闭合状态，其余支路的开关均处于断开状态；
n1＝n2，运放A1输出端和运放A2的输出端相连之后通过负载电阻RL接地，通过RL的电流I等于(Vin1/处于闭合支路的电阻R1p)+(Vin2/处于闭合支路的电阻R2q)。
作为优选方案：Vin1＝0.1V-10V，Vin2＝0.1V-10V；n1＝n2＝4；R11为104Ω，R21为105Ω，R12为106Ω，R22为107Ω，R13为108Ω，R23为109Ω，R14为1010Ω，R24为1011Ω；实现7个量级的电流信号连续输出。
一种上述在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源的使用方法，包括以下操作：
步骤1：S11、S21闭合，S12、S22、S13、S23断开，Vin1起始输入10V，Vin2起始输入0V，然后Vin1开始下降，Vin2开始上升，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R11+Vin2/R21得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤2：保持S21闭合的状态下，使S11断开、S12闭合，Vin1开始从0升高，Vin2开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R12+Vin2/R21得到的电流满足线性的变化，并在Vin2降到0时，Vin1升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤3：保持S12闭合的状态下，使S21断开、S22闭合，Vin2开始从0升高，Vin1开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R12+Vin2/R22得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤4：保持S22闭合的状态下，使S12断开、S13闭合，Vin1开始从0升高，Vin2开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R13+Vin2/R22得到的电流满足线性的变化，并在Vin2降到0时，Vin1升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤5：保持S13闭合的状态下，使S22断开、S23闭合；Vin2开始从0升高，Vin1开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R13+Vin2/R23得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤6：保持S23闭合的状态下，使S13断开、S14闭合；Vin1开始从0升高，Vin2开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R14+Vin2/R23得到的电流满足线性的变化，并在Vin2降到0时，Vin1升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤7：保持S14闭合的状态下，使S23断开、S24闭合；Vin2开始从0升高，Vin1开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R14+Vin2/R24得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级。
作为优选方案：
对于负载电阻RL的电流I，设其在时间点t时的电流值为f(t)；设在时间点t时的Vin1的电压值为Vin1(t)；设在时间点t时的Vin2的电压值为Vin2(t)，电压值变化速度调节系数为a；
设步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5、步骤6、步骤7的步骤起始时间点依次为t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6，步骤7的步骤结束时间点为t7；
控制器依据下式同时控制Vin1和Vin2：
步骤1中，
其中，t0≤t＜t1；
步骤2中，
其中，t1≤t＜t2；
步骤3中，
其中，t2≤t＜t3；
步骤4中，
其中，t3≤t＜t4；
步骤5中，
其中，t4≤t＜t5；
步骤6中，
其中，t5≤t＜t6；
步骤7中，
其中，t6≤t＜t7。
另一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源，为单通道程控覆盖多数量级电流信号源。其包括一个运放A1；运放A1的同相输入端连接输入电压Vin，运放A1的同相输入端还通过接地电阻R0接地；运放A1的反相输入端与输出端之间并联设置n条支路，每条支路上设有电阻Ri和开关Si，i＝1,2,…,n，且同一时间只有一条支路的开关处于闭合状态，其余支路的开关均处于断开状态；运放A1输出端通过负载电阻RL接地，通过RL的电流I等于输入电压Vin/处于闭合支路的电阻Ri，通过控制输入电压Vin和若干个开关的开合，实现控制负载电阻RL上的电流I。
本发明的有益效果为：
本发明的一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源，克服了以往信号发生器或者无法程控变化或者无法大范围输出的缺点，能够实现多数量级(7个以上数量级)范围内的程控连续变化的电流输出，且变化的过程不需要人为干预，能够考核设备在连续变化信号过程中处理功能的正确性。
附图说明
图1为实施例1中的单通道程控覆盖多数量级电流信号源；
图2为实施例2中的双通道程控覆盖多数量级电流信号源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源进行详细说明。
实施例1
本实施例中的一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源，为单通道程控覆盖多数量级电流信号源，即一个通道实现多个数量级覆盖的电流源。
如图1所示，本实施例的电流信号源包括一个运放A1：运放A1的同相输入端连接输入电压Vin，运放A1的同相输入端还通过接地电阻R0接地；运放A1的反相输入端与输出端之间并联设置n条支路，每条支路上设有电阻Ri和开关Si，i＝1,2,…,n，且同一时间只有一条支路的开关处于闭合状态，其余支路的开关均处于断开状态；运放A1输出端通过负载电阻RL接地，通过RL的电流I等于输入电压Vin/处于闭合支路的电阻Ri。
本实施例的基本原理是通过控制输入电压Vin和若干个开关的开合，实现控制负载电阻RL上的电流I。
具体而言，本实施例中，各参数如下所述：
Vin＝0.1V-10V；n＝6，R1＝104Ω，R2＝105Ω，R3＝106Ω，R4＝107Ω，R5＝108Ω，R6＝109Ω；RL≥1012Ω。
在只有S1闭合的状态下，I的输出范围是10-5A至10-3A；
在只有S2闭合的状态下，I的输出范围是10-6A至10-4A；
在只有S3闭合的状态下，I的输出范围是10-7A至10-5A；
在只有S4闭合的状态下，I的输出范围是10-8A至10-6A；
在只有S5闭合的状态下，I的输出范围是10-9A至10-7A；
在只有S1闭合的状态下，I的输出范围是10-10A至10-8A。
即通过合理程控Vin和S1、S2、S3、S4、S5、S6就能够实现输出10-10A至10-3A的7个量级的电流输出。如果把Ri都再增大十倍，则可以输出10-11A至10-4A的7个量级的电流输出。
本实施例中的电流信号源能够实现多数量级的电流程控输出，但在不同开关切换过程中，存在变化信号不连续的问题。
实施例2
本实施例中的一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源，为双通道程控覆盖多数量级电流信号源，即两个通道实现多个数量级覆盖的电流源。
如图2所示，本实施例中的电流信号源包括运放A1和运放A2。
对于1通道，运放A1的同相输入端连接输入电压Vin1，运放A1的同相输入端还通过接地电阻R10接地；运放A1的反相输入端与输出端之间并联设置n1条支路，每条支路上设有电阻R1p和开关S1p，p＝1,2,…,n1，且同一时间1通道只有一条支路的开关处于闭合状态，其余支路的开关均处于断开状态。
对于2通道，运放A2的同相输入端连接输入电压Vin2，运放A2的同相输入端还通过接地电阻R20接地；运放A2的反相输入端与输出端之间并联设置n2条支路，每条支路上设有电阻R2q和开关S2q，q＝1,2,…,n2，且同一时间2通道每次只有一条支路的开关处于闭合状态，其余支路的开关均处于断开状态。
n1＝n2，运放A1输出端和运放A2的输出端相连之后通过负载电阻RL接地，通过RL的电流I等于(Vin1/处于闭合支路的电阻R1p)+(Vin2/处于闭合支路的电阻R2q)。
本实施例的基本原理是在信号程控变化的过程中如果1通道的输出电流量级大于2通道，则1通道的变化起主要作用，2通道反向变化；否则，2通道起主要变化作用，1通道反向变化。这样1通道和2通道交替起作用从而实现两个通道的交换。实施例1中的单通道电流信号源，在切换开关会出现输出跳变现象，如果负载电路是测量信号的变化率，则在开关切换点会导致较大偏差，本实施例中的双通道电流信号源，能够实现电流信号的连续输出，有效避免了上述问题。
具体而言，本实施例中，各参数如下所述：
Vin1＝0.1V-10V，Vin2＝0.1V-10V；n1＝3，n2＝3；R11为104Ω，R21为105Ω，R12为106Ω，R22为107Ω，R13为108Ω，R23为109Ω，R14为1010Ω，R24为1011Ω。
本实施例采用双通道配合实现10-11A至10-4A或10-10A至10-3A至少7个量级的电流信号连续输出。
例如要得到一个从10-3A变化到10-4A的连续的线性变化输出电流，包括以下操作：
步骤1：S11、S21闭合，S12、S22、S13、S23断开。Vin1起始输入10V，Vin2起始输入0V，然后Vin1开始下降，Vin2开始上升，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R11+Vin2/R21得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤2：保持S21闭合的状态下，使S11断开、S12闭合。Vin1开始从0升高，Vin2开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R12+Vin2/R21得到的电流满足线性的变化，并在Vin2降到0时，Vin1升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级。
步骤3：保持S12闭合的状态下，使S21断开、S22闭合。Vin2开始从0升高，Vin1开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R12+Vin2/R22得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级。
步骤4：保持S22闭合的状态下，使S12断开、S13闭合。Vin1开始从0升高，Vin2开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R13+Vin2/R22得到的电流满足线性的变化，并在Vin2降到0时，Vin1升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级。
步骤5：保持S13闭合的状态下，使S22断开、S23闭合。Vin2开始从0升高，Vin1开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R13+Vin2/R23得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级。
步骤6：保持S23闭合的状态下，使S13断开、S14闭合。Vin1开始从0升高，Vin2开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R14+Vin2/R23得到的电流满足线性的变化，并在Vin2降到0时，Vin1升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级。
步骤7：保持S14闭合的状态下，使S23断开、S24闭合。Vin2开始从0升高，Vin1开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R14+Vin2/R24得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于，通过程控Vin1和Vin2实现电流信号源任意波形输出。
对于负载电阻RL的电流I，设其在时间点t时的电流值为f(t)；设在时间点t时的Vin1的电压值为Vin1(t)；设在时间点t时的Vin2的电压值为Vin2(t)。
对于实施例2所述各步骤，设步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5、步骤6、步骤7的步骤起始时间点依次为t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6，步骤7的步骤结束时间点为t7。
步骤1中Vin1起主要的作用，Vin2反向的变化，控制器依据下式同时控制Vin1和Vin2：
其中，t0≤t＜t1；
步骤2中Vin2起主要的作用，Vin1反向的变化，控制器依据下式同时控制Vin1和Vin2：
其中，t1≤t＜t2；
同理，步骤3中控制器依据下式同时控制Vin1和Vin2：
其中，t2≤t＜t3；
步骤4中控制器依据下式同时控制Vin1和Vin2：
其中，t3≤t＜t4；
步骤5中控制器依据下式同时控制Vin1和Vin2：
其中，t4≤t＜t5；
步骤6中控制器依据下式同时控制Vin1和Vin2：
其中，t5≤t＜t6；
步骤7中控制器依据下式同时控制Vin1和Vin2：
其中，t6≤t＜t7。
Claims (5)
1.一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源，为双通道程控覆盖多数量级电流信号源，其特征在于：
所述电流信号源包括运放A1和运放A2；
对于1通道，运放A1的同相输入端连接输入电压Vin1，运放A1的同相输入端还通过接地电阻R10接地；运放A1的反相输入端与输出端之间并联设置n1条支路，每条支路上设有电阻R1p和开关S1p，p＝1,2,…,n1，且同一时间1通道只有一条支路的开关处于闭合状态，其余支路的开关均处于断开状态；
对于2通道，运放A2的同相输入端连接输入电压Vin2，运放A2的同相输入端还通过接地电阻R20接地；运放A2的反相输入端与输出端之间并联设置n2条支路，每条支路上设有电阻R2q和开关S2q，q＝1,2,…,n2，且同一时间2通道每次只有一条支路的开关处于闭合状态，其余支路的开关均处于断开状态；
n1＝n2，运放A1输出端和运放A2的输出端相连之后通过负载电阻RL接地，通过RL的电流I等于(Vin1/处于闭合支路的电阻R1p)+(Vin2/处于闭合支路的电阻R2q)。
2.根据权利要求1所述的一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源，其特征在于：Vin1＝0.1V-10V，Vin2＝0.1V-10V；n1＝n2＝4；R11为104Ω，R21为105Ω，R12为106Ω，R22为107Ω，R13为108Ω，R23为109Ω，R14为1010Ω，R24为1011Ω；实现7个量级的电流信号连续输出。
3.一种权利要求2所述的一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源的使用方法，其特征在于：包括以下操作：
步骤1：S11、S21闭合，S12、S22、S13、S23断开，Vin1起始输入10V，Vin2起始输入0V，然后Vin1开始下降，Vin2开始上升，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R11+Vin2/R21得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤2：保持S21闭合的状态下，使S11断开、S12闭合，Vin1开始从0升高，Vin2开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R12+Vin2/R21得到的电流满足线性的变化，并在Vin2降到0时，Vin1升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤3：保持S12闭合的状态下，使S21断开、S22闭合，Vin2开始从0升高，Vin1开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R12+Vin2/R22得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤4：保持S22闭合的状态下，使S12断开、S13闭合，Vin1开始从0升高，Vin2开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R13+Vin2/R22得到的电流满足线性的变化，并在Vin2降到0时，Vin1升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤5：保持S13闭合的状态下，使S22断开、S23闭合；Vin2开始从0升高，Vin1开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R13+Vin2/R23得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤6：保持S23闭合的状态下，使S13断开、S14闭合；Vin1开始从0升高，Vin2开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R14+Vin2/R23得到的电流满足线性的变化，并在Vin2降到0时，Vin1升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级；
步骤7：保持S14闭合的状态下，使S23断开、S24闭合；Vin2开始从0升高，Vin1开始从10V下降，控制器同时控制Vin1和Vin2使得Vin1/R14+Vin2/R24得到的电流满足线性的变化，并在Vin1降到0时，Vin2升至10V，通过这一过程实现电流下降一个量级。
4.一种权利要求3所述的一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源的使用方法，其特征在于：
对于负载电阻RL的电流I，设其在时间点t时的电流值为f(t)；设在时间点t时的Vin1的电压值为Vin1(t)；设在时间点t时的Vin2的电压值为Vin2(t)，电压值变化速度调节系数为a；
设步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5、步骤6、步骤7的步骤起始时间点依次为t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6，步骤7的步骤结束时间点为t7；
控制器依据下式同时控制Vin1和Vin2：
步骤1中，
其中，t0≤t＜t1；
步骤2中，
其中，t1≤t＜t2；
步骤3中，
其中，t2≤t＜t3；
步骤4中，
其中，t3≤t＜t4；
步骤5中，
其中，t4≤t＜t5；
步骤6中，
其中，t5≤t＜t6；
步骤7中，
其中，t6≤t＜t7。
5.一种在多数量级范围内实现任意波形输出的电流信号源，为单通道程控覆盖多数量级电流信号源，其特征在于：包括一个运放A1；运放A1的同相输入端连接输入电压Vin，运放A1的同相输入端还通过接地电阻R0接地；运放A1的反相输入端与输出端之间并联设置n条支路，每条支路上设有电阻Ri和开关Si，i＝1,2,…,n，且同一时间只有一条支路的开关处于闭合状态，其余支路的开关均处于断开状态；运放A1输出端通过负载电阻RL接地，通过RL的电流I等于输入电压Vin/处于闭合支路的电阻Ri，通过控制输入电压Vin和若干个开关的开合，实现控制负载电阻RL上的电流I。
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