CN114371335B - 高精度数字源表 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高精度数字源表，包括：减法器、电压电流调节模块、模式切换模块和电压电流检测模块，电压电流调节模块位于减法器的输出端和模式切换模块的输入端之间，电压电流检测模块位于模式切换模块的输出端与减法器的一个输入端之间，减法器的另一个输入端用于输入电流目标值和电压目标值；电压电流检测模块，用于检测模式切换模块的电压测量值和电流测量值；减法器，用于计算电压目标值与电压测量值的实时电压差值ΔV和电流目标值与电流测量值的实时电流差值ΔI；电压电流调节模块，用于接收来自减法器的实时电压差值ΔV、实时电流差值ΔI。本发明有V‑I输出精度高，输出调节响应速度快的优点，也具有根据负载的动态变化，完成电压源输出和电流源输出自动切换功能。

Description

高精度数字源表
技术领域
本发明涉及一种高精度数字源表，属于仪表技术领域。
背景技术
高精度V-I源表具备电压源输出或电流源输出，同时可测量输出回路的实时电压值和实时电流值，即V-I源表同时具备四象限电压电流的输出功能；故V-I源表广泛应用于自动化检测、半导体封测等领域。现有源表存在所需元器件数量多，降低了可靠性，且系统反馈调节响应速度较慢的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度数字源表，该高精度数字源表具有V-I输出精度高，输出调节响应速度快的优点，也具有根据负载的动态变化，完成电压源输出和电流源输出自动切换功能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高精度数字源表，包括：减法器、电压电流调节模块、模式切换模块和电压电流检测模块，所述电压电流调节模块位于减法器的输出端和模式切换模块的输入端之间，所述电压电流检测模块位于模式切换模块的输出端与减法器的一个输入端之间，所述减法器的另一个输入端用于输入电流目标值和电压目标值；
所述电压电流检测模块，用于检测模式切换模块的电压测量值和电流测量值；
所述减法器，用于计算电压目标值与电压测量值的实时电压差值ΔV和电流目标值与电流测量值的实时电流差值ΔI；
所述电压电流调节模块，用于接收来自减法器的实时电压差值ΔV、实时电流差值ΔI，并被配置为含有以下步骤：
步骤1-1、读取当前时刻模式切换模块输出端的电压测量值V(k)，并计算当前时刻电压目标值V0和电压测量值V(k)的差值e(k)，并同时保存上一时刻电压目标值和电压测量值的差值e(k-1)；
步骤1-2、将变量e(k)、e(k-1)和参数Kp、Ki、Kd同时代入到公式中，计算出电压目标值对应的DAC芯片电压设置值u(k)，并输出到后级对DAC芯片电压设定值进行更新；
Figure 133557DEST_PATH_IMAGE002
Kp为比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数；
步骤1-3、如果e(k)>0且|e(k)| > Δe(k)，则重复上述步骤1-1、步骤1-2、步骤1-3，循环迭代，直到当前时刻电压测量值V(k)与电压目标值V0近似相等，即|e(k)| ≤ Δe(k)，此时电压测量值为电压目标值对应的电压设定值u(k)；
如果e(k)<0且|e(k)| > Δe(k)，则重复上述步骤1-1、步骤1-2、步骤1-3，循环迭代，直到当前时刻电压测量值V(k)与电压目标值V0近似相等，即|e(k)| ≤ Δe(k) ，此时电压测量值为电压目标值对应的电压设定值u(k)；
所述模式切换模块，用于接收来自电压电流调节模块的电压设定值、电流设定值，并被配置为含有以下步骤：
如果电压测量值V(k) < 电压目标值V0，且电流测量值I(k) < 电流目标值I0，则采用V_u(k) 作为后级DAC芯片设置值，即当前为电压源输出模式；
如果电压测量值V(k) < 电压目标值V0，且电流测量值I(k) >= 电流目标值I0，则采用I_u(k) 作为后级DAC芯片设置值，即当前为电流源输出模式，从Case1中电压源输出模式切换到Case2的电流源输出模式；
如果电压测量值V(k) >= 电压目标值V0，且电流测量值I(k) < 电流目标值I0，则采用V_u(k) 作为后级DAC芯片设置值，即当前模式切换为电压源输出模式；
如果电压测量值V(k) >= 电压目标值V0，且电流测量值I(k) >= 电流目标值I0，则采用I_u(k) 作为后级DAC芯片设置值，即当前模式切换为电流源输出模式。
上述技术方案中进一步改进的方案如下：
1、上述方案中，所述Δe(k)为预设定的e(k)最小阈值。
2、上述方案中，所述步骤1-1之前还包括：初始化输出电压目标值V0，初始化设定的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明高精度数字源表，其采用数字闭环反馈调节控制算法和V-I设定值自切换方式，具有V-I输出精度高，输出调节响应速度快的优点，也具有根据负载的动态变化，完成电压源输出和电流源输出自动切换功能。
附图说明
附图1为本发明高精度数字源表的原理框图；
附图2为本发明高精度数字源表的状态转换图。
以上附图中：1、减法器；2、电压电流调节模块；3、模式切换模块；4、电压电流检测模块。
具体实施方式
在本专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利的具体含义。
实施例：一种高精度数字源表，包括：减法器1、电压电流调节模块2、模式切换模块3和电压电流检测模块4，所述电压电流调节模块2位于减法器1的输出端和模式切换模块3的输入端之间，所述电压电流检测模块4位于模式切换模块3的输出端与减法器1的一个输入端之间，所述减法器1的另一个输入端用于输入电流目标值和电压目标值；
所述电压电流检测模块4，用于检测模式切换模块3的电压测量值和电流测量值；
所述减法器1，用于计算电压目标值与电压测量值的实时电压差值ΔV和电流目标值与电流测量值的实时电流差值ΔI；
所述电压电流调节模块2，用于接收来自减法器1的实时电压差值ΔV、实时电流差值ΔI，并被配置为含有以下步骤：
公式见下文，以电压源为例说明；
Figure 739112DEST_PATH_IMAGE003
（1）；
其中，u(k)为电压源PID算法算出的电压目标值对应的DAC芯片设置值；e(k) 为当前时刻电压目标值和电压测量值的差值；e(k-1) 为上一时刻电压目标值和电压测量值的差值；∑e(i)为电压目标值和电压测量值所有时刻差值的累加。Kp、Ki、Kd分别为PID算法控制器的比例系数、积分系数、微分系数。
包括以下步骤：
Step0：初始化输出电压目标值，即Volt Target Value，记作V0；初始化PID算法控制器的3个参数Kp、Ki、Kd；
Step1：读取当前时刻的电压测量值，记作V(k)，并计算当前时刻电压目标值V0和电压测量值V(k)的差值e(k)，并同时保存上一时刻电压目标值和电压测量值的差值e(k-1)；
Step2：分别将变量e(k)、e(k-1)和参数Kp、Ki、Kd同时代入到上文公式（1）中，计算出电压目标值对应的DAC芯片设置值u(k)，并输出到后级对DAC芯片设定值进行更新；
Step3：判定当前时刻电压目标值V0和电压测量值V(k)的差值e(k)与0的关系；
如果e(k)>0且|e(k)| > Δe(k)，则重复上述步骤Step1、Step2、Step3，V-I PID算法单元计算出的u(k)会增大，循环迭代，最终可实现当前时刻电压测量值V(k)与电压目标值V0近似相等，即e(k)近似为0；
如果e(k)<0且|e(k)| > Δe(k)，则重复上述步骤Step1、Step2、Step3，V-I PID算法单元计算出的u(k)会减小，循环迭代，最终可实现当前时刻电压测量值V(k)与电压目标值V0近似相等，即e(k)近似为0；
Step4：当算出|e(k)| ≤ Δe(k) 时，表示电压测量值等于电压目标值，即V-IPID算法单元完成电压输出反馈调节，已算出电压目标值对应的DAC芯片设置值u(k)最优解；
其中，Δe(k)为程序预设定的e(k)最小值，该参数可根据产品需求在程序中进行自定义。
所述模式切换模块3，用于接收来自电压电流调节模块2的电压设定值、电流设定值，并被配置为含有以下步骤：
如果电压测量值V(k) < 电压目标值V0，且电流测量值I(k) < 电流目标值I0，则采用V_u(k) 作为后级DAC芯片设置值，即当前为电压源输出模式；
如果电压测量值V(k) < 电压目标值V0，且电流测量值I(k) >= 电流目标值I0，则采用I_u(k) 作为后级DAC芯片设置值，即当前为电流源输出模式，从Case1中电压源输出模式切换到Case2的电流源输出模式；
如果电压测量值V(k) >= 电压目标值V0，且电流测量值I(k) < 电流目标值I0，则采用V_u(k) 作为后级DAC芯片设置值，即当前模式切换为电压源输出模式；
如果电压测量值V(k) >= 电压目标值V0，且电流测量值I(k) >= 电流目标值I0，则采用I_u(k) 作为后级DAC芯片设置值，即当前模式切换为电流源输出模式。
综上，V-I设定值自切换单元实现了所有不同种类情况下，DAC芯片设置值V_u(k)和I_u(k)的自动选择功能，即等价完成电压源输出模式和电流源输出模式自切换功能。
上述述Δe(k)为预设定的e(k)最小阈值。
采用上述高精度数字源表时，其采用数字闭环反馈调节控制算法和V-I设定值自切换方式，具有V-I输出精度高，输出调节响应速度快的优点，也具有根据负载的动态变化，完成电压源输出和电流源输出自动切换功能。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高精度数字源表，其特征在于：包括：减法器（1）、电压电流调节模块（2）、模式切换模块（3）和电压电流检测模块（4），所述电压电流调节模块（2）位于减法器（1）的输出端和模式切换模块（3）的输入端之间，所述电压电流检测模块（4）位于模式切换模块（3）的输出端与减法器（1）的一个输入端之间，所述减法器（1）的另一个输入端用于输入电流目标值和电压目标值；
所述电压电流检测模块（4），用于检测模式切换模块（3）的电压测量值和电流测量值；
所述减法器（1），用于计算电压目标值与电压测量值的实时电压差值ΔV和电流目标值与电流测量值的实时电流差值ΔI；
所述电压电流调节模块（2），用于接收来自减法器（1）的实时电压差值ΔV、实时电流差值ΔI，并被配置为含有以下步骤：
步骤1-1、读取当前时刻模式切换模块（3）输出端的电压测量值V(k)，并计算当前时刻电压目标值V0和电压测量值V(k)的差值e(k)，并同时保存上一时刻电压目标值和电压测量值的差值e(k-1)；
步骤1-2、将变量e(k)、e(k-1)和参数KP 、KI 、KD 同时代入到公式（1）中，计算出电压目标值对应的DAC芯片电压设定值u(k)，并输出到后级对DAC芯片电压设定值进行更新；
Figure 370922DEST_PATH_IMAGE001
（1）
KP 为比例系数、KI 为积分系数、KD 为微分系数，e(k) 为当前时刻电压目标值和电压测量值的差值，Δe(k)为预设定的e(k)最小阈值，e(i)为第i时刻电压目标值和电压测量值差值；
步骤1-3、如果e(k)>0且|e(k)| > Δe(k)，则重复上述步骤1-1、步骤1-2、步骤1-3，循环迭代，直到当前时刻电压测量值V(k)与电压目标值V0近似相等，即|e(k)| ≤Δe(k)，此时电压测量值为电压目标值对应的DAC芯片电压设定值u(k)；
如果e(k)<0且|e(k)| > Δe(k)，则重复上述步骤1-1、步骤1-2、步骤1-3，循环迭代，直到当前时刻电压测量值V(k)与电压目标值V0近似相等，即|e(k)| ≤Δe(k) ，此时电压测量值为电压目标值对应的DAC芯片电压设定值u(k)；
所述模式切换模块（3），用于接收来自电压电流调节模块（2）的电压设定值、电流设定值，并被配置为含有以下步骤：
如果电压测量值V(k) < 电压目标值V0，且电流测量值I(k) < 电流目标值I0，则采用V_u(k) 作为后级DAC芯片设定值，即当前为电压源输出模式；
如果电压测量值V(k) < 电压目标值V0，且电流测量值I(k) ≥电流目标值I0，则采用I_u(k) 作为后级DAC芯片设定值，即当前为电流源输出模式，从Case1中电压源输出模式切换到Case2的电流源输出模式；
如果电压测量值V(k) ≥ 电压目标值V0，且电流测量值I(k) < 电流目标值I0，则采用V_u(k) 作为后级DAC芯片设定值，即当前模式切换为电压源输出模式；
如果电压测量值V(k) ≥电压目标值V0，且电流测量值I(k) ≥电流目标值I0，则采用I_u(k) 作为后级DAC芯片设定值，即当前模式切换为电流源输出模式。
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