CN114285316B - 一种高稳定度脉冲电流源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种高稳定度脉冲电流源装置属于电子设备技术领域，结构有频率设置模块(1)、电流输出模块(2)、电流采样模块(3)、幅度测量模块(4)、幅度控制模块(5)、占空比测量模块(6)、脉宽控制模块(7)、显示驱动模块(8)和前面板(9)。本发明利用反馈控制及电流补偿技术，实现脉冲恒流输出，具有输出脉宽和电流峰值稳定且可调等优点。
Description
技术领域
本发明属于电子设备技术领域，特别涉及一种高稳定度脉冲电流源装置。
背景技术
电流源在LED驱动、激光器驱动、传感器驱动、各种辉光放电光源驱动等很多领域内都有重要的应用。大功率窄脉冲电流源尤其在半导体激光器驱动等方面有着更方便的应用。脉冲电流源是指能够在负载上产生幅度和脉冲宽度可控的电流脉冲。
在脉冲电流源中，脉冲高度(即峰值电流)、脉冲宽度、重复频率、上升时间、下降时间是衡量脉冲电流源性能的几个重要参数。脉冲电流源一般由脉冲触发电路、脉冲整形电路、功率驱动电路等部分构成，脉冲触发电路用来产生频率可调的信号源，目前技术比较成熟，由555定时器、多谐振荡器、压控振荡器等均可实现；脉冲整形电路用来将脉冲触发电路产生的信号整形成窄脉冲，由单稳态触发器构成的脉冲整形电路可以通过改变外接电阻电容改变脉冲宽度，实现ms或ns级的窄脉冲，但这种脉冲功率较小，难以实现对功率要求较大的负载进行电流驱动，功率驱动电路则将前级整形后的窄脉冲放大成功率较大的电流脉冲。
与本发明最接近的现有技术是申请人课题组的早期研究成果“用于半导体激光器的脉冲恒流源理论与技术研究(吉林大学.王晴.博士论文)”，该文献第3章公开了一种用于驱动半导体激光器的脉冲恒流源电路(参见原文图3.6)，该电路由脉冲触发电路、脉冲整形模块、功率输出模块构成，其中功率驱动模块由两级功率MOSFET构成。上述参考文献在用于驱动固定参数的半导体激光器时具有优异的性能，通过仿真及实验结果可以看出，在1欧姆的负载上可产生高达21A左右的峰值电流，通过调节末级的充放电电容C5，在10kHz的重复频率下可使输出脉冲宽度压缩到ns级别，且具有极短的上升下降时间。
然而上述参考文献的使用场合具有很大的局限性，当负载发生变化时，输出电流的高度会发生变化，当负载变化或调节重复频率时，均会影响输出电流的脉冲宽度。如果负载对脉冲宽度或脉冲高度的稳定性有较高要求时，这是非常不利的，因此，现有技术还需要进一步改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服背景技术中的不足，提供一种频率、幅度、脉宽稳定且均能独立调节的脉冲电流源装置。
本发明的技术问题通过以下技术方案解决：
一种高稳定度脉冲电流源装置，结构有频率设置模块1、电流输出模块2、显示驱动模块8、前面板9，其特征在于，结构还有电流采样模块3、幅度测量模块4、幅度控制模块5、占空比测量模块6和脉宽控制模块7，频率设置模块与电流输出模块2和脉宽控制模块7相连，电流输出模块2与电流采样模块3相连，电流采样模块3与幅度测量模块4和占空比测量模块6相连，幅度测量模块4与幅度控制模块5和占空比测量模块6相连，幅度控制模块5与电流输出模块2相连，脉宽控制模块7与电流输出模块2相连，频率设置模块1、幅度测量模块4、脉宽控制模块7均与显示驱动模块8相连，前面板9与频率设置模块1、电流输出模块2、幅度控制模块5、脉宽控制模块7、显示驱动模块8相连；
所述的电流输出模块2的结构为，电阻R1的一端与电容C2的一端相连，且与场效应管Q1的栅极相连，电阻R1的另一端与电容C2的另一端相连，作为电流输出模块2的一个输入端，记为端口P2-in1，端口P2-in1与频率设置模块1的脉冲电压信号输出端相连，频率设置模块1输出的脉冲电压通过电流输出模块2放大成大功率的电流脉冲；场效应管Q1的源极接地，漏极接电阻R2的一端和场效应管Q2的栅极，电阻R2的另一端与电容C1的一端及场效应管Q2的源极相连，作为电流输出模块2的第二个输入端，记为端口P2-in2，与幅度控制模块5的输出端相连，电容C1的另一端接地，场效应管Q2的漏极与电阻R3的一端及电容C3的一端相连，电阻R3的另一端接地，电容C3的另一端与电阻R4的一端以及二极管D1的阴极相连，作为电流输出模块的一个输出端，记为端口P2-out1，与前面板9上的电流输出接口90的正极相连，电阻R4的另一端作为电流输出模块2的第三个输入端，记为端口P2-in3，接脉宽控制模块7的输出端，二极管D1的阳极接地，取样电阻Rs的一端接地，另一端作为电流输出模块2的第二个输出端，记为端口P2-out2，与电流采样模块3的输入端相连，还与前面板9上的电流输出接口90的负极相连；其中场效应管Q1的N型场效应管，场效应管Q2是P型场效应管；
所述的电流采样模块3的结构为，运放U1A的同相输入端作为电流采样模块3的输入端，记为端口P3-in，与电流输出模块2的端口P2-out2相连，运放U1A的反相输入端与电阻R5的一端、电阻R6的一端及电阻R7的一端相连，电阻R6的另一端与运放U1A的输出端相连，作为电流采样模块3的输出端，记为端口P3-out，与幅度测量模块4及占空比测量模块6相连；电阻R5的另一端与电阻R8的一端、电阻R10的一端以及运放U1B的反相输入端相连，电阻R10的另一端与运放U1B的同相输入端相连且接地，电阻R8的另一端与可调电阻R9的一端相连，可调电阻R9的另一端与电阻R7的另一端及运放U1B的输出端相连；
所述的幅度测量模块4的结构为，二极管D2的阳极作为幅度测量模块4的输入端，记为端口P4-in，与电流采样模块3的端口P3-out相连，二极管D2的阴极与电容C4的一端、电阻R11的一端及运放U2A的同相输入端相连，电阻R11的另一端与电容C4的另一端均接地，运放U2A的反相输入端与输出端相连，作为幅度测量模块4的输出端，记为端口P4-out，与幅度控制模块5相连，且与占空比测量模块6相连；
所述的幅度控制模块5的结构为，电阻R19的一端作为幅度控制模块5的输入端，记为端口P5-in，与幅度测量模块4的端口P4-out相连，电阻R19的另一端与电阻R21的一端及运放U3B的同相输入端相连，电阻R21的另一端接地，运放U3B的反相输入端与电阻R17的一端及电阻R18的一端相连，电阻R17的另一端与滑动变阻器W1的滑线端相连，滑动电阻器的一端接地，另一端与5.1V稳压二极管D3的阴极及电阻R20的一端相连，稳压二极管D3的阳极接地，电阻R20的另一端接+12V电源，电阻R18的另一端与运放U3B的输出端及运放U3A的反相输入端相连，电容C5的一端和电阻R12的一端均接地，电容C5的另一端与运放U2B的同相输入端及运放U3A的同相输入端相连，电阻R12的另一端与电阻R13的一端、电阻R14的一端及运放U2B的反相输入端相连，电阻R14的另一端与电阻R15的一端、电阻R16的一端及运放U2B的输出端相连，电阻R15的另一端与电阻R13的另一端均接+12V电源，电阻R16的另一端接运放U3A的同相输入端，运放U3A的输出端与N型场效应管Q3的栅极相连，场效应管Q3的漏极接电源VPP，源极接电感L1的一端及二极管D4的阴极，二极管D4的阳极接地，电感L1的另一端接电容C6的一端，作为幅度控制模块5的输出端，记为端口P5-out，与电流输出模块的端口P2-in2相连，电容C6的另一端接地；
所述的占空比测量模块6的结构为，运放U4A的同相输入端作为占空比测量模块6的一个输入端，记为端口P6-in1，与电流采样模块3的端口P3-out相连，运放U4A的反相输入端与电阻R27的一端及电阻R28的一端相连，电阻R28的另一端接地，电阻R27的另一端作为占空比测量模块6的另一个输入端，记为端口P6-in2，与幅度测量模块4的端口P4-out相连，运放U4A的输出端与二极管D6的阴极以及二极管D5的阴极相连，二极管D6的阳极接地，二极管D5的阳极接电阻R26的一端及电感L2的一端，电阻R26的另一端与热敏电阻R24的一端及运放U4B的输出端相连，热敏电阻R24的另一端与运放U4B的反相输入端及电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端接地，运放U4B的同相输入端与电阻R22的一端、电容C7的一端及电容C8的一端相连，电阻R22的另一端及电容C7的另一端均接地，电容C8的另一端与电阻R25的一端相连，电阻R25的另一端与运放U4B的输出端相连，电感L2的另一端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端与电阻R30的一端以及二极管D7的阳极相连，电阻R30的另一端接地，二极管D7的阴极与运放U5A的同相输入端、电阻R29的一端及电容C10的一端相连，电阻R29的另一端及电容C10的另一端均接地，运放U5A的反相输入端与输出端相连，作为占空比测量模块6的输出端，记为端口P6-out，与脉宽控制模块7相连；
所述的脉宽控制模块7的结构为，电阻R33的一端与运放U6A的反相输入端及可调电阻R32的一端相连，电阻R33的另一端作为脉宽控制模块7的一个输入端，记为端口P7-in1，与占空比测量模块6的端口P6-out相连，运放U6A的同相输入端与电阻R34的一端相连，电阻R34的另一端接地，可调电阻R32的另一端接电阻R31的一端，电阻R31的另一端接模拟乘法器U7的输出端，模拟乘法器U7的一个输入端作为脉宽控制模块7的第二个输入端，记为端口P7-in2，与频率设置模块1中控制频率的电压端口相连，模拟乘法器U7的另一个输入端与电容C11的一端、运放U6A的输出端及运放U6B的反相输入端相连电容C11的另一端与运放U6B的输出端相连，作为脉宽控制模块7的输出端，记为端口P7-out，与电流输出模块2的端口P2-in3相连，运放U6B的同相输入端与滑动变阻器W2的滑线端相连，滑动变阻器W2的一端接地，另一端与电阻R35的一端及5.1V稳压二极管D8的阳极相连，电阻R35的另一端接-12V电源，稳压二极管D8的阴极接地；所述的运放U6A、运放U6B是一个集成双运放的两个单元，采用+12V和-12V双电源供电；
所述的显示驱动模块8的结构为，电阻R36的一端、电阻R39的一端、电阻R42的一端分别作为显示驱动模块8的三个输入端，分别记为端口P8-in1、端口P8-in2、端口P8-in3，端口P8-in1与幅度测量模块4的端口P4-out相连，端口P8-in2与频率设置模块1中控制频率的电压端口相连，端口P8-in3与脉宽控制模块7的B点相连；电阻R36的另一端与运放U5B的同相输入端相连，电阻R37的一端接地，另一端与运放U5B的反相输入端及可变电阻R38的一端相连，可变电阻R38的另一端与运放U5B的输出端相连，作为显示驱动模块8的一个输出端，记为端口Peak；电阻R39的另一端与运放U7A的同相输入端相连，电阻R40的一端接地，另一端与运放U7A的反相输入端及可变电阻R41的一端相连，可变电阻R41的另一端与运放U7A的输出端相连，作为显示驱动模块8的第二个输出端，记为端口Frequency；电阻R42的另一端与运放U7B的同相输入端相连，电阻R43的一端接地，另一端与运放U7B的反相输入端及可变电阻R44的一端相连，可变电阻R44的另一端与运放U7B的输出端相连，作为显示驱动模块8的第三个输出端，记为端口Width；电阻R45的一端接地，另一端作为显示驱动模块8的第四个输出端，记为端口LED。
所述的前面板9可按常规习惯设计，也可按以下结构设计，结构包括显示选择开关91、电源开关92、数字表头93、脉冲峰值指示灯94、脉冲频率指示灯95、脉冲宽度指示灯96、峰值设置旋钮97、频率设置旋钮98、脉宽设置旋钮99和电流输出接口90；其中，峰值设置旋钮97是幅度控制模块5中的滑动变阻器W1，频率设置旋钮98是频率设置模块1中调节频率的滑动变阻器，脉宽设置旋钮99是脉宽控制模块7中的滑动变阻器W2，电源开关92是整个装置的电源总开关，电流输出接口90的正负极分别与电流输出模块2中的端口P2-out1、P2-out2相连，显示选择开关91是一个双刀三掷开关SW，包括A、B两组开关，A组的公共端接显示驱动模块8的端口LED，三个选择端依次接三个发光二极管的阴极，三个发光二极管的阳极均接+12V电源，三个发光二极管分别是脉冲峰值指示灯94、脉冲频率指示灯95、脉冲宽度指示灯96，显示选择开关91的B组开关的公共端接数字表头93的信号输入端，三个选择端依次接显示驱动模块8中的端口Peak、端口Frequency、端口Width。
本发明所述的频率设置模块1属于现有技术，可按常规方案设计，基本要求是能够产生频率受控的电压脉冲信号(如压控振荡器)，控制频率的电压信号同时还要与脉宽控制模块7的端口P7-in2相连，用来为脉宽控制模块7提供频率参数，以便将占空比转换成脉冲宽度。
有益效果：
1、本发明通过输出电流采样结果动态控制末级场效应管的供电电压，使输出电流峰值不受负载变化的影响，实现真正的脉冲恒流输出。
2、本发明通过在电流输出模块中增加电流补偿支路，抵消负载变化或频率变化时引起的末级电流充放电时间常数的变化，使输出电流脉冲宽度恒定。
3、本发明设计了具有超高输入阻抗的电流采样模块和超低输出阻抗的幅度测量模块，以实现对超窄电流脉冲的采样并将电流幅度无损失地转换成直流电压信号。
4、本发明设计了独特的脉宽控制模块，实现了利用占空比的测量结果控制脉冲宽度的目的。
5、本发明巧妙地利用幅度测量模块的结果和电流采样模块的结果，实现对输出电流占空比的精确测量。且当对占空比进行不同的定义时，可方便地通过调节可变电阻，快速实现电路的重新匹配。
附图说明：
图1是本发明整体结构框图。
图2是电流输出模块的原理电路图。
图3是电流采样模块的原理电路图。
图4是幅度测量模块的原理电路图。
图5是幅度控制模块的原理电路图。
图6是占空比测量模块的原理电路图。
图7是脉宽控制模块的原理电路图。
图8是显示驱动模块的原理电路图。
图9是前面板的一种布局示意图。
图10是前面板上的显示选择开关的结构及连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明各部分电路的具体结构和工作原理。附图中所标参数为各实施例的优选电路参数，但本发明的保护范围不受限于这些参数。
实施例1系统整体结构及整体工作过程
如图1所示，系统结构有频率设置模块1、电流输出模块2、电流采样模块3、幅度测量模块4、幅度控制模块5、占空比测量模块6、脉宽控制模块7、显示驱动模块8和前面板9，频率设置模块与电流输出模块2和脉宽控制模块7相连，电流输出模块2与电流采样模块3相连，电流采样模块3与幅度测量模块4和占空比测量模块6相连，幅度测量模块4与幅度控制模块5和占空比测量模块6相连，幅度控制模块5与电流输出模块2相连，脉宽控制模块7与电流输出模块2相连，频率设置模块1、幅度测量模块4、脉宽控制模块7均与显示驱动模块8相连，前面板9与频率设置模块1、电流输出模块2、幅度控制模块5、脉宽控制模块7、显示驱动模块8相连。
频率设置模块1可按常规手段进行设计，比如利用压控振荡器作为脉冲触发电路产生一个频率受电压控制的交流信号，再利用脉冲整形电路(如单稳态触发器)将交流信号整形成占空比小于50％的窄脉冲电压信号，电流输出模2块将窄脉冲电压信号放大成大功率的窄脉冲电流信号输出到负载，电流采样模块3负责对流过负载的电流进行采样，并通过幅度测量模块4将峰值电流测量出来以直流电压的方式呈现，幅度控制模块5根据幅度测量模块4输出的结果自动调整电流输出模块2中末级场效应管的供电电压，以实现最终流过负载的电流峰值恒定且可控，占空比测量模块6根据幅度测量模块4和电流采样模块3输出的结果测量出输出电流的占空比，并以直流电压的形式呈现，脉宽控制模块7根据占空比测量模块6提供的测量结果以及频率设置模块1提供的反映频率的控制电压参数，自动调整电流输出模块2中的电流补偿支路的电流，实现稳定电容的充放电时间，进而达到稳定输出电流脉宽的目的，显示驱动模块8用于将反映峰值、脉宽、频率的电压信号转变成合适的大小，以便使这些电压信号通过数字表头显示出合适的数值，前面板9用于调节并显示系统重要参数，并提供电流输出接口。
实施例2电流输出模块及其工作原理
所述的电流输出模块2的结构如图2所示，电阻R1的一端与电容C2的一端相连，且与场效应管Q1的栅极相连，电阻R1的另一端与电容C2的另一端相连，作为电流输出模块2的一个输入端，记为端口P2-in1，端口P2-in1与频率设置模块1的脉冲电压信号输出端相连，频率设置模块1输出的脉冲电压通过电流输出模块2放大成大功率的电流脉冲；场效应管Q1的源极接地，漏极接电阻R2的一端和场效应管Q2的栅极，电阻R2的另一端与电容C1的一端及场效应管Q2的源极相连，作为电流输出模块2的第二个输入端，记为端口P2-in2，与幅度控制模块5的输出端相连，电容C1的另一端接地，场效应管Q2的漏极与电阻R3的一端及电容C3的一端相连，电阻R3的另一端接地，电容C3的另一端与电阻R4的一端以及二极管D1的阴极相连，作为电流输出模块的一个输出端，记为端口P2-out1，与前面板9上的电流输出接口90的正极相连，电阻R4的另一端作为电流输出模块2的第三个输入端，记为端口P2-in3，接脉宽控制模块7的输出端，二极管D1的阳极接地，取样电阻Rs的一端接地，另一端作为电流输出模块2的第二个输出端，记为端口P2-out2，与电流采样模块3的输入端相连，还与前面板9上的电流输出接口90的负极相连；其中场效应管Q1的N型场效应管，场效应管Q2是P型场效应管。
电流输出模块2负责将频率设置模块1产生的窄脉冲电压信号放大成大功率的电流窄脉冲信号，输出至负载，结合附图2，电阻R1和电容C2构成脉冲加速器，使输出脉冲的上升沿进一步陡化，场效应管Q1、Q2构成阶梯驱动的两级放大电路，使输出功率得到大幅度的提升，触发脉冲到来时，场效应管Q2导通，电容C3左侧电位等于端口P2-in2提供的电压电位，由于电容两端电压不能突变，导致C3右侧电位瞬间被拉高到也等于端口P2-in2提供的电压电位，端口P2-out1和端口P2-out2之间接负载，则负载两侧产生电位差，进而产生由左向右的电流，随着电容C3的反向充电，C3左右两侧电位差逐渐拉大，由于左侧电位受端口P2-in2的控制保持不变，因此右侧电位逐渐降低至0，负载两侧不再有电位差，也不再有电流，这一过程实现了在负载上产生脉冲电流的目的，产生的脉冲电流峰值受端口P2-in2处电压及负载+取样电阻Rs的共同控制，脉冲宽度受电容C3的反向充电时间常数控制，单回路中，充电时间常数由回路中的电容和电阻的乘积决定，因此，当负载变化时，必然会引起时间常数的变化，进而改变输出电流的脉宽，本发明预留了由R4构成的补偿电流支路，时间常数变成由电容C3和流过C3的电流决定，而流过C3的电流由负载支路和补偿支路的电流共同决定(电容C3右侧电位被拉高的期间二极管D1处于截止状态，可看作没有电流)，因此电阻R4构成的补偿支路的电流可以平衡当负载支路电流变化时引起的充电时间常数的变化，使输出电流的脉冲宽度恒定。
实施例3电流采样模块和幅度测量模块及其工作原理
所述的电流采样模块3的结构如图3所示，运放U1A的同相输入端作为电流采样模块3的输入端，记为端口P3-in，与电流输出模块2的端口P2-out2相连，运放U1A的反相输入端与电阻R5的一端、电阻R6的一端及电阻R7的一端相连，电阻R6的另一端与运放U1A的输出端相连，作为电流采样模块3的输出端，记为端口P3-out，与幅度测量模块4及占空比测量模块6相连；电阻R5的另一端与电阻R8的一端、电阻R10的一端以及运放U1B的反相输入端相连，电阻R10的另一端与运放U1B的同相输入端相连且接地，电阻R8的另一端与可调电阻R9的一端相连，可调电阻R9的另一端与电阻R7的另一端及运放U1B的输出端相连。
所述的幅度测量模块4的结构为，二极管D2的阳极作为幅度测量模块4的输入端，记为端口P4-in，与电流采样模块3的端口P3-out相连，二极管D2的阴极与电容C4的一端、电阻R11的一端及运放U2A的同相输入端相连，电阻R11的另一端与电容C4的另一端均接地，运放U2A的反相输入端与输出端相连，作为幅度测量模块4的输出端，记为端口P4-out，与幅度控制模块5相连，且与占空比测量模块6相连。
电流采样模块3由两个运放构成互补式放大结构，且具有非常高的输入阻抗，用于对流过取样电阻Rs(在电流输出模块中)的电流进行无干扰取样，将脉冲电流信号变成特性相同的脉冲电压信号，可调电阻R9可微调电流采样模块的传输系数，幅度测量模块4提取脉冲的峰值并转换成直流电压信号以方便幅度控制模块和占空比测量模块使用。
实施例4幅度控制模块及其工作原理
所述的幅度控制模块5的结构为，电阻R19的一端作为幅度控制模块5的输入端，记为端口P5-in，与幅度测量模块4的端口P4-out相连，电阻R19的另一端与电阻R21的一端及运放U3B的同相输入端相连，电阻R21的另一端接地，运放U3B的反相输入端与电阻R17的一端及电阻R18的一端相连，电阻R17的另一端与滑动变阻器W1的滑线端相连，滑动电阻器的一端接地，另一端与5.1V稳压二极管D3的阴极及电阻R20的一端相连，稳压二极管D3的阳极接地，电阻R20的另一端接+12V电源，电阻R18的另一端与运放U3B的输出端及运放U3A的反相输入端相连，电容C5的一端和电阻R12的一端均接地，电容C5的另一端与运放U2B的同相输入端及运放U3A的同相输入端相连，电阻R12的另一端与电阻R13的一端、电阻R14的一端及运放U2B的反相输入端相连，电阻R14的另一端与电阻R15的一端、电阻R16的一端及运放U2B的输出端相连，电阻R15的另一端与电阻R13的另一端均接+12V电源，电阻R16的另一端接运放U3A的同相输入端，运放U3A的输出端与N型场效应管Q3的栅极相连，场效应管Q3的漏极接电源VPP，源极接电感L1的一端及二极管D4的阴极，二极管D4的阳极接地，电感L1的另一端接电容C6的一端，作为幅度控制模块5的输出端，记为端口P5-out，与电流输出模块的端口P2-in2相连，电容C6的另一端接地。
运放U2B及外围电阻电容构成三角波发生器，运放U3B构成减法器，将端口P5-in的电压信号(由幅度测量模块4提供，反映输出电流的峰值)与滑动变阻器W1设定的电压值进行减法运算，运算结果再与上述三角波在运放U3A中进行比较，以产生驱动场效应管Q3的PWM波，当系统受某种影响输出电流峰值变大时，减法器输出的电压变高，U3A输出的PWM波的占空比变小，VPP提供的电源被转换成了更低的电压，由端口P5-out提供给电流输出模块2的端口P2-in2，进而抑制了输出电流峰值的变大，反之亦然，实现了输出电流峰值的恒定，电源VPP的大小可根据需要在+12V～+200V范围内容选择。如果人为想改变输出电流峰值时，只需要调节滑动变阻器W1改变设定的电压值，即可让输出电流峰值恒定在另一个设定的大小。
实施例5占空比测量模块及其工作原理
所述的占空比测量模块6的结构如图6所示，运放U4A的同相输入端作为占空比测量模块6的一个输入端，记为端口P6-in1，与电流采样模块3的端口P3-out相连，运放U4A的反相输入端与电阻R27的一端及电阻R28的一端相连，电阻R28的另一端接地，电阻R27的另一端作为占空比测量模块6的另一个输入端，记为端口P6-in2，与幅度测量模块4的端口P4-out相连，运放U4A的输出端与二极管D6的阴极以及二极管D5的阴极相连，二极管D6的阳极接地，二极管D5的阳极接电阻R26的一端及电感L2的一端，电阻R26的另一端与热敏电阻R24的一端及运放U4B的输出端相连，热敏电阻R24的另一端与运放U4B的反相输入端及电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端接地，运放U4B的同相输入端与电阻R22的一端、电容C7的一端及电容C8的一端相连，电阻R22的另一端及电容C7的另一端均接地，电容C8的另一端与电阻R25的一端相连，电阻R25的另一端与运放U4B的输出端相连，电感L2的另一端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端与电阻R30的一端以及二极管D7的阳极相连，电阻R30的另一端接地，二极管D7的阴极与运放U5A的同相输入端、电阻R29的一端及电容C10的一端相连，电阻R29的另一端及电容C10的另一端均接地，运放U5A的反相输入端与输出端相连，作为占空比测量模块6的输出端，记为端口P6-out，与脉宽控制模块7相连。
端口P6-in2输入的电流幅度值(由幅度测量模块4提供)被电阻R27、R28分压后得到电流的半峰值作为占空比的测量基准，端口P6-in1输入的电流取样信号(由电流采样模块提供)与测量基准进行比较，在运放U4A的输出端得到反映占空比的幅度为12V的开关信号，将运放U4B产生的1kHz的标准正弦信号进行斩波，L2、C9、R30构成的选频网络将低频部分选出，由傅立叶定理可知，被斩波再被选频后的信号的包络与开关信号的占空比成正比例关系，由二极管D7、电容C10、电阻R29及运放U5A构成的包络检波器将该包络解调后在端口P6-out得到反应占空比的直流电压信号。通常占空比的测量是以信号的半峰值宽度为基准，但少数场景也有以0.7倍峰值或0.1倍峰值宽度为基准的，通过调节可变电阻R28改变其与R27的分压关系，就能方便地改变占空比的测量基准。
实施例6脉宽控制模块及其工作原理
所述的脉宽控制模块7的结构如图7所示，电阻R33的一端与运放U6A的反相输入端及可调电阻R32的一端相连，电阻R33的另一端作为脉宽控制模块7的一个输入端，记为端口P7-in1，与占空比测量模块6的端口P6-out相连，运放U6A的同相输入端与电阻R34的一端相连，电阻R34的另一端接地，可调电阻R32的另一端接电阻R31的一端，电阻R31的另一端接模拟乘法器U7的输出端，模拟乘法器U7的一个输入端作为脉宽控制模块7的第二个输入端，记为端口P7-in2，与频率设置模块1中控制频率的电压端口相连，模拟乘法器U7的另一个输入端与电容C11的一端、运放U6A的输出端及运放U6B的反相输入端相连电容C11的另一端与运放U6B的输出端相连，作为脉宽控制模块7的输出端，记为端口P7-out，与电流输出模块2的端口P2-in3相连，运放U6B的同相输入端与滑动变阻器W2的滑线端相连，滑动变阻器W2的一端接地，另一端与电阻R35的一端及5.1V稳压二极管D8的阳极相连，电阻R35的另一端接-12V电源，稳压二极管D8的阴极接地；所述的运放U6A、运放U6B是一个集成双运放的两个单元，采用+12V和-12V双电源供电。
设输出电流脉冲的占空比为N，脉宽为W，频率为f，周期为T，则
W＝N*T＝N/f。
参照图7，运放U6A两个输入端由于存在虚短，则A处的电压为0，其中Vf反应输出电流的频率，端口P7-in1处的电压(由占空比测量模块6提供)反映输出电流的占空比，端口P7-in2处的电压(由频率设置模块1提供)反映输出电流的频率，模拟乘法器U7的输出电压为VM＝Vf*VB，在点A处由节点电流方程可得
VN/R33＝-VM/(R31+R32)＝-Vf*VB/(R31+R32)
设滑动变变阻器W2的设置电压为V2(由图可知V2<0)，由运放U6B的输入端存在虚短，得VB＝V2，因此有
VN/R33＝-Vf*V2/(R31+R32)
VN/Vf＝-V2*R33/(R31+R32)
而由W＝N/f可知，VN/Vf的值决定了输出电流的脉宽W，因此当电阻R31、R32、R33的值确定后，输出电流的脉宽W仅与滑动变阻器W2的设置电压成比例关系，而与负载大小、频率大小等无关，比例系数为-R33/(R31+R32)，由于V2<0，保证了W为正。因此通过调节滑动变阻器W2即可控制输出电流的脉冲宽度。
本系统稳定脉宽的原理如下：假设由于频率的变化或负载的变化等因素引起了输出电流脉宽的增大，由于脉宽控制模块7的反馈作用，会使端口P7-out输出的电压变小，由于该电压本身是负的，因此电压变小也就是变得“更负”，该电压提供给电流输出模块2的端口P2-in3，使得由下至上流过电阻R4的电流变大，进而使得C3的反向充电电流(由左向右)变大，充电电流的变大导致充电时间变短，也就意味着脉冲宽度的变窄，也就是说当外界条件企图使脉宽变大时，脉宽控制模块7的反馈作用会反过来使脉宽变窄，反之奕然，最终效果是使脉宽保持稳定不变，如果想人为改变脉宽，则通过调节滑动变阻器W2改变设置电压，即可使脉宽重新稳定在新设定的值上。
实施例7显示驱动模块8及其工作原理
所述的显示驱动模块8的结构如图8所示，电阻R36的一端、电阻R39的一端、电阻R42的一端分别作为显示驱动模块8的三个输入端，分别记为端口P8-in1、端口P8-in2、端口P8-in3，端口P8-in1与幅度测量模块4的端口P4-out相连，端口P8-in2与频率设置模块1中控制频率的电压端口相连，端口P8-in3与脉宽控制模块7的B点相连；电阻R36的另一端与运放U5B的同相输入端相连，电阻R37的一端接地，另一端与运放U5B的反相输入端及可变电阻R38的一端相连，可变电阻R38的另一端与运放U5B的输出端相连，作为显示驱动模块8的一个输出端，记为端口Peak；电阻R39的另一端与运放U7A的同相输入端相连，电阻R40的一端接地，另一端与运放U7A的反相输入端及可变电阻R41的一端相连，可变电阻R41的另一端与运放U7A的输出端相连，作为显示驱动模块8的第二个输出端，记为端口Frequency；电阻R42的另一端与运放U7B的同相输入端相连，电阻R43的一端接地，另一端与运放U7B的反相输入端及可变电阻R44的一端相连，可变电阻R44的另一端与运放U7B的输出端相连，作为显示驱动模块8的第三个输出端，记为端口Width；电阻R45的一端接地，另一端作为显示驱动模块8的第四个输出端，记为端口LED。
显示驱动模块8通过三个比例可调的变换电路将反映峰值、脉宽、频率的电压信号转变成合适的大小，以便使这些电压信号通过数字表头显示出合适的数值，可变电阻R38、R41、R44用于调节电路的转变系数，以使表头上显示的数字与实际的参数在数值上一致，电阻R45是限流电阻，使前面板上的各指示灯(发光二极管)在点亮时流过大小合适的电流。
实施例8前面板
所述的前面板9可按常规习惯设计，也可按如图9所示的结构示意图设计，结构包括显示选择开关91、电源开关92、数字表头93、脉冲峰值指示灯94、脉冲频率指示灯95、脉冲宽度指示灯96、峰值设置旋钮97、频率设置旋钮98、脉宽设置旋钮99和电流输出接口90；其中，峰值设置旋钮97是幅度控制模块5中的滑动变阻器W1，频率设置旋钮98是频率设置模块1中调节频率的滑动变阻器，脉宽设置旋钮99是脉宽控制模块7中的滑动变阻器W2，电源开关92是整个装置的电源总开关，电流输出接口90的正负极分别与电流输出模块2中的端口P2-out1、P2-out2相连，显示选择开关91是一个双刀三掷开关SW，结构如图10所示，包括A、B两组开关，A组的公共端接显示驱动模块8的端口LED，三个选择端依次接三个发光二极管的阴极，三个发光二极管的阳极均接+12V电源，三个发光二极管分别是脉冲峰值指示灯94、脉冲频率指示灯95、脉冲宽度指示灯96，显示选择开关91的B组开关的公共端接数字表头93的信号输入端，三个选择端依次接显示驱动模块8中的端口Peak、端口Frequency、端口Width。当拔动显示选择开关91时，A组开关将依次选中显示驱动模块8中代表峰值、频率、脉宽的电压信号由表头93进行显示，同时代表相应参数的指示灯(LED)被B组开关选中接入电流通路，相应的LED被点亮。
Claims (2)
1.一种高稳定度脉冲电流源装置，结构有频率设置模块(1)、电流输出模块(2)、显示驱动模块(8)、前面板(9)，其特征在于，结构还有电流采样模块(3)、幅度测量模块(4)、幅度控制模块(5)、占空比测量模块(6)和脉宽控制模块(7)，频率设置模块与电流输出模块(2)和脉宽控制模块(7)相连，电流输出模块(2)与电流采样模块(3)相连，电流采样模块(3)与幅度测量模块(4)和占空比测量模块(6)相连，幅度测量模块(4)与幅度控制模块(5)和占空比测量模块(6)相连，幅度控制模块(5)与电流输出模块(2)相连，脉宽控制模块(7)与电流输出模块(2)相连，频率设置模块(1)、幅度测量模块(4)、脉宽控制模块(7)均与显示驱动模块(8)相连，前面板(9)与频率设置模块(1)、电流输出模块(2)、幅度控制模块(5)、脉宽控制模块(7)、显示驱动模块(8)相连；
所述的电流输出模块(2)的结构为，电阻R1的一端与电容C2的一端相连，且与场效应管Q1的栅极相连，电阻R1的另一端与电容C2的另一端相连，作为电流输出模块(2)的一个输入端，记为端口P2-in1，端口P2-in1与频率设置模块(1)的脉冲电压信号输出端相连，频率设置模块(1)输出的脉冲电压通过电流输出模块(2)放大成大功率的电流脉冲；场效应管Q1的源极接地，漏极接电阻R2的一端和场效应管Q2的栅极，电阻R2的另一端与电容C1的一端及场效应管Q2的源极相连，作为电流输出模块(2)的第二个输入端，记为端口P2-in2，与幅度控制模块(5)的输出端相连，电容C1的另一端接地，场效应管Q2的漏极与电阻R3的一端及电容C3的一端相连，电阻R3的另一端接地，电容C3的另一端与电阻R4的一端以及二极管D1的阴极相连，作为电流输出模块的一个输出端，记为端口P2-out1，与前面板(9)上的电流输出接口90的正极相连，电阻R4的另一端作为电流输出模块(2)的第三个输入端，记为端口P2-in3，接脉宽控制模块(7)的输出端，二极管D1的阳极接地，取样电阻Rs的一端接地，另一端作为电流输出模块(2)的第二个输出端，记为端口P2-out2，与电流采样模块(3)的输入端相连，还与前面板(9)上的电流输出接口90的负极相连；其中场效应管Q1的N型场效应管，场效应管Q2是P型场效应管；
所述的电流采样模块(3)的结构为，运放U1A的同相输入端作为电流采样模块(3)的输入端，记为端口P3-in，与电流输出模块(2)的端口P2-out2相连，运放U1A的反相输入端与电阻R5的一端、电阻R6的一端及电阻R7的一端相连，电阻R6的另一端与运放U1A的输出端相连，作为电流采样模块(3)的输出端，记为端口P3-out，与幅度测量模块(4)及占空比测量模块(6)相连；电阻R5的另一端与电阻R8的一端、电阻R10的一端以及运放U1B的反相输入端相连，电阻R10的另一端与运放U1B的同相输入端相连且接地，电阻R8的另一端与可调电阻R9的一端相连，可调电阻R9的另一端与电阻R7的另一端及运放U1B的输出端相连；
所述的幅度测量模块(4)的结构为，二极管D2的阳极作为幅度测量模块(4)的输入端，记为端口P4-in，与电流采样模块(3)的端口P3-out相连，二极管D2的阴极与电容C4的一端、电阻R11的一端及运放U2A的同相输入端相连，电阻R11的另一端与电容C4的另一端均接地，运放U2A的反相输入端与输出端相连，作为幅度测量模块(4)的输出端，记为端口P4-out，与幅度控制模块(5)相连，且与占空比测量模块(6)相连；
所述的幅度控制模块(5)的结构为，电阻R19的一端作为幅度控制模块(5)的输入端，记为端口P5-in，与幅度测量模块(4)的端口P4-out相连，电阻R19的另一端与电阻R21的一端及运放U3B的同相输入端相连，电阻R21的另一端接地，运放U3B的反相输入端与电阻R17的一端及电阻R18的一端相连，电阻R17的另一端与滑动变阻器W1的滑线端相连，滑动电阻器的一端接地，另一端与5.1V稳压二极管D3的阴极及电阻R20的一端相连，稳压二极管D3的阳极接地，电阻R20的另一端接+12V电源，电阻R18的另一端与运放U3B的输出端及运放U3A的反相输入端相连，电容C5的一端和电阻R12的一端均接地，电容C5的另一端与运放U2B的同相输入端及运放U3A的同相输入端相连，电阻R12的另一端与电阻R13的一端、电阻R14的一端及运放U2B的反相输入端相连，电阻R14的另一端与电阻R15的一端、电阻R16的一端及运放U2B的输出端相连，电阻R15的另一端与电阻R13的另一端均接+12V电源，电阻R16的另一端接运放U3A的同相输入端，运放U3A的输出端与N型场效应管Q3的栅极相连，场效应管Q3的漏极接电源VPP，源极接电感L1的一端及二极管D4的阴极，二极管D4的阳极接地，电感L1的另一端接电容C6的一端，作为幅度控制模块(5)的输出端，记为端口P5-out，与电流输出模块的端口P2-in2相连，电容C6的另一端接地；
所述的占空比测量模块(6)的结构为，运放U4A的同相输入端作为占空比测量模块(6)的一个输入端，记为端口P6-in1，与电流采样模块(3)的端口P3-out相连，运放U4A的反相输入端与电阻R27的一端及电阻R28的一端相连，电阻R28的另一端接地，电阻R27的另一端作为占空比测量模块(6)的另一个输入端，记为端口P6-in2，与幅度测量模块(4)的端口P4-out相连，运放U4A的输出端与二极管D6的阴极以及二极管D5的阴极相连，二极管D6的阳极接地，二极管D5的阳极接电阻R26的一端及电感L2的一端，电阻R26的另一端与热敏电阻R24的一端及运放U4B的输出端相连，热敏电阻R24的另一端与运放U4B的反相输入端及电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端接地，运放U4B的同相输入端与电阻R22的一端、电容C7的一端及电容C8的一端相连，电阻R22的另一端及电容C7的另一端均接地，电容C8的另一端与电阻R25的一端相连，电阻R25的另一端与运放U4B的输出端相连，电感L2的另一端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端与电阻R30的一端以及二极管D7的阳极相连，电阻R30的另一端接地，二极管D7的阴极与运放U5A的同相输入端、电阻R29的一端及电容C10的一端相连，电阻R29的另一端及电容C10的另一端均接地，运放U5A的反相输入端与输出端相连，作为占空比测量模块(6)的输出端，记为端口P6-out，与脉宽控制模块(7)相连；
所述的脉宽控制模块(7)的结构为，电阻R33的一端与运放U6A的反相输入端及可调电阻R32的一端相连，电阻R33的另一端作为脉宽控制模块(7)的一个输入端，记为端口P7-in1，与占空比测量模块(6)的端口P6-out相连，运放U6A的同相输入端与电阻R34的一端相连，电阻R34的另一端接地，可调电阻R32的另一端接电阻R31的一端，电阻R31的另一端接模拟乘法器U7的输出端，模拟乘法器U7的一个输入端作为脉宽控制模块(7)的第二个输入端，记为端口P7-in2，与频率设置模块(1)中控制频率的电压端口相连，模拟乘法器U7的另一个输入端与电容C11的一端、运放U6A的输出端及运放U6B的反相输入端相连，电容C11的另一端与运放U6B的输出端相连，作为脉宽控制模块(7)的输出端，记为端口P7-out，与电流输出模块(2)的端口P2-in3相连，运放U6B的同相输入端与滑动变阻器W2的滑线端相连，滑动变阻器W2的一端接地，另一端与电阻R35的一端及5.1V稳压二极管D8的阳极相连，电阻R35的另一端接-12V电源，稳压二极管D8的阴极接地；所述的运放U6A、运放U6B是一个集成双运放的两个单元，采用+12V和-12V双电源供电；
所述的显示驱动模块(8)的结构为，电阻R36的一端、电阻R39的一端、电阻R42的一端分别作为显示驱动模块(8)的三个输入端，分别记为端口P8-in1、端口P8-in2、端口P8-in3，端口P8-in1与幅度测量模块(4)的端口P4-out相连，端口P8-in2与频率设置模块(1)中控制频率的电压端口相连，端口P8-in3与脉宽控制模块(7)的B点相连；电阻R36的另一端与运放U5B的同相输入端相连，电阻R37的一端接地，另一端与运放U5B的反相输入端及可变电阻R38的一端相连，可变电阻R38的另一端与运放U5B的输出端相连，作为显示驱动模块(8)的一个输出端，记为端口Peak；电阻R39的另一端与运放U7A的同相输入端相连，电阻R40的一端接地，另一端与运放U7A的反相输入端及可变电阻R41的一端相连，可变电阻R41的另一端与运放U7A的输出端相连，作为显示驱动模块(8)的第二个输出端，记为端口Frequency；电阻R42的另一端与运放U7B的同相输入端相连，电阻R43的一端接地，另一端与运放U7B的反相输入端及可变电阻R44的一端相连，可变电阻R44的另一端与运放U7B的输出端相连，作为显示驱动模块(8)的第三个输出端，记为端口Width；电阻R45的一端接地，另一端作为显示驱动模块(8)的第四个输出端，记为端口LED。
2.根据权利要求1所述的一种高稳定度脉冲电流源装置，其特征在于，所述的前面板9的结构包括显示选择开关(91)、电源开关(92)、数字表头(93)、脉冲峰值指示灯(94)、脉冲频率指示灯(95)、脉冲宽度指示灯(96)、峰值设置旋钮(97)、频率设置旋钮(98)、脉宽设置旋钮(99)和电流输出接口(90)；其中，峰值设置旋钮(97)是幅度控制模块(5)中的滑动变阻器W1，频率设置旋钮(98)是频率设置模块(1)中调节频率的滑动变阻器，脉宽设置旋钮99是脉宽控制模块(7)中的滑动变阻器W2，电源开关(92)是整个装置的电源总开关，电流输出接口(90)的正负极分别与电流输出模块(2)中的端口P2-out1、P2-out2相连，显示选择开关(91)是一个双刀三掷开关SW，包括A、B两组开关，A组的公共端接显示驱动模块(8)的端口LED，三个选择端依次接三个发光二极管的阴极，三个发光二极管的阳极均接+12V电源，三个发光二极管分别是脉冲峰值指示灯(94)、脉冲频率指示灯(95)、脉冲宽度指示灯(96)，显示选择开关(91)的B组开关的公共端接数字表头(93)的信号输入端，三个选择端依次接显示驱动模块(8)中的端口Peak、端口Frequency、端口Width。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |