CN115963879A - 一种支持pwmv调制的恒流源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种支持PWM调制的恒流源电路，其包括幅度调整单元、电压提取单元和恒流输出单元；幅度调整单元用于接收PWM输入信号，将输入信号调整为指定幅度和频率的电压信号，输出至电压提取单元；电压提取单元用于将接收到的电压信号转换为电压与占空比成正比的直流电压信号，输出至恒流输出单元；恒流输出单元用于将接收到的直流电压信号转换为恒定的直流电流信号，并输出。本发明将恒流源与PWM调控相融合，实现通过调节PWM占空比对输出电流大小进行调节，降低恒流源成本和电路复杂度，特别适合一些低成本需求的场合。

Description

一种支持PWMV调制的恒流源电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别是一种支持PWM调制的恒流源电路。

背景技术

PWM即脉冲宽度调节机制，脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。在当前许多电路系统中，都会用到恒流源，但现有的恒流源技术很少有将恒流源与PWM调控融为一体的，即使融为一体，成本也是比较高的。目前可PWM调制的恒流源电路设计一般采用专用的电源芯片或者数字电路来实现，对于高端应用场合是比较理想的，但对于一些低成本需求的场合，以及只需要产生恒流源的应用需求，数字化控制芯片需要额外的电源和复杂的隔离方式，电路复杂，成本比较高，无法满足低成本需求场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种支持PWM调制的恒流源电路，将恒流源与PWM调控相融合，降低恒流源成本和电路复杂度。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种支持PWM调制的恒流源电路，包括幅度调整单元、电压提取单元和恒流输出单元；

所述幅度调整单元用于接收PWM输入信号，将输入信号调整为指定幅度和频率的电压信号，输出至电压提取单元；

所述电压提取单元用于将接收到的电压信号转换为电压与占空比成正比的直流电压信号，输出至恒流输出单元；

所述恒流输出单元用于将接收到的直流电压信号转换为恒定的直流电流信号，并输出。

可选的，所述幅度调整单元包括多路模拟开关芯片，所述多路模拟开关芯片控制输入端接入所述PWM输入信号，输出端连接上拉电阻，以将输入的PWM信号调整为指定幅度的电压信号并输出。

可选的，所述多路模拟开关芯片的输出端还连接有阻容滤波电路。

可选的，所述多路模拟开关芯片采用型号为ADG433的模拟开关芯片，其四个输入端引脚中，至少IN1和IN4中的任一引脚，以及IN2和IN3中的任一引脚均接入所述PWM输入信号；输出端S引脚均经下拉电阻接地，输出端D引脚均连接阻容滤波电路，且D引脚在连接上拉电阻后再连接阻容滤波电路中的滤波电阻，上拉电阻与滤波电阻之间接入基准电压源。

ADG433是一款单芯片CMOS器件，内置四个独立可选的开关，有两个开关的接通条件是控制输入为逻辑高电平，其它两个开关的控制逻辑相反。本发明中，选取任意一对控制输入逻辑相反的两路输入输出开关通道即可实现：当输入PWM波形为低电平或高电平时，任意时间均有一路开关导通并输出指定幅度的脉冲电压信号，电压信号的频率与PWM输入信号相同，幅值由阻容滤波、上拉电阻及基准电压源决定，可根据需要调整。ADG433也可替换为其他模拟开关芯片，如ADG432、ADG431，这两种芯片中的各通道控制逻辑相同，通过增加非门可实现PWM信号到连续脉冲电压信号的转换。

可选的，所述电压提取单元包括依次设置的电压跟随器、低通滤波器和分压电路；所述电压跟随器接收幅度调整单元输出的电压信号，对信号的输入输出阻抗进行调节，后输出至低通滤波器进行高频信号滤除处理，低通滤波器的输出端连接分压电路，以输出指定电压、且电压与占空比成正比的直流电压信号。

可选的，所述电压提取单元包括TL082双运算放大器，其第一运放的正向输入端接入幅度调整单元输出的电压信号，反向输入端连接第一输出端，作为电压跟随器；第二运放的正向输入端连接所述第一输出端，反向输入端连接第二输出端，第二输出端输出所述直流电压信号；第一输出端与第二运放的正向输入端之间设置二阶低通滤波电路；

所述二阶低通滤波电路包括串接在第一输出端与第二运放的正向输入端之间的电阻R1和R2，一端连接R2与第二运放正向输入端之间连接点另一端接地的电容C1，以及一端连接R1与R2连接点，另一端连接第二运放反向输入端的电容C2；所述二阶低通滤波电路与所述第二运放组成所述低通滤波器。

可选的，所述分压电路包括串接的电阻R3和R4，R3与R4的连接点为直流电压信号输出端，电阻R4另一端接地，且其上并接有电容C3；

所述直流电压信号的电压满足以下关系式：

V_{FY_OUT}＝V_{LPF_OUT}*R4/(R3+R4)＝V_{LPF_OUT}/2

式中，V _{LPF_OUT}为第二运放反向输入端输入的电压。

可选的，所述恒流输出单元包括电压跟随器、推挽输出电路和减法器，所述电压跟随器接收电压提取单元输出的直流电压信号，对信号的输入输出阻抗进行调节，后经推挽输出电路传输至减法器，转换为恒定的直流电流信号，并输出。

可选的，所述电压跟随器采用TL082双运算放大器，其第一运放的正向输入端连接电压提取单元的输出端，反向输入端经电容C11连接第一输出端以及经电阻R31连接第二输出端；

所述推挽输出电路的输出端串接电阻R10和RL，电阻RL连接电阻R10一端的对端为恒流输出单元的直流输出端；推挽输出电路输出端与电阻R10的连接点与接地端之间串接有电阻R11和R13，电阻R11与R13的连接点连接至电压跟随器第二运放的正向输入端；电阻R10余RL的连接点经电阻R12连接至电压跟随器第二运放的反向输入端，第二运放的反向输入端经电阻R14连接至第二输出端；其中，电阻R11、R 12、R13和R14组成所述减法器。

可选的，恒流输出单元中，R11＝R12，R13＝R14，输入输出关系满足：

V_O＝(R13/R11)(V1-V2)

I_O＝(V1-V2)/R10

V_O为电压跟随器第二输出端的电压，V1为推挽输出电路输出的电压，V2为电阻R10与RL连接点上的电压，I_O为所述直流输出端输出的电流。

有益效果

本发明的恒流源电路，利用模拟开关、运算放大器、三极管等常用模拟器件构成恒流源电路，可实现通过调节PWM占空比对输出电流大小进行调节，具有电路结构简单、控制方便、输出精度高等优点，特别适合一些低成本需求的场合。

附图说明

图1所示为本发明的恒流源电路功能模块组成示意图；

图2所示为本发明一种实施例中幅度调整单元的电路示意图；

图3所示为图1幅度调整单元的PWM输入输出信号波形示意图；

图4所示为本发明一种实施例中电压提取单元的电路示意图；

图5所示为本发明一种实施例中恒流输出单元的电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

实施例1

本实施例介绍一种支持PWM调制的恒流源电路，参考图1，其包括幅度调整单元、电压提取单元和恒流输出单元；

幅度调整单元用于接收PWM输入信号PWM1，将输入信号调整为指定幅度和频率的脉冲电压信号PWM2，即图2中的PWM_OUT，输出至电压提取单元；

电压提取单元用于将接收到的电压信号转换为电压与占空比成正比的直流电压信号V_{FY_OUT}，输出至恒流输出单元；

恒流输出单元用于将接收到的直流电压信号转换为恒定的直流电流信号Io，并输出。

本实施例中，幅度调整电路把6kHz、0～3.3V的输入信号调整成6kHz、-10V～+10V的信号，电压提取电路对-10V～+10V的信号进行低通滤波，得到与占空比成正比的直流电压信号，恒流输出电路把直流电压信号转换成恒定的直流电流信号。

如图2所示，幅度调整单元包括多路模拟开关芯片，其控制输入端接入PWM输入信号，输出端连接上拉电阻R23-R26，上拉电阻接基准电源以将输入的PWM信号调整为指定幅度的电压信号并输出。多路模拟开关芯片的输出端连接阻容滤波电路。

本实施例中，多路模拟开关芯片采用型号为ADG433的模拟开关芯片，其四个输入端引脚中，IN1-IN4分别接入波形频率6kHz，幅度0～3.3V的PWM输入信号；输出端S引脚均经下拉电阻R29或R30接地，输出端D引脚均连接阻容滤波电路，且D引脚在连接上拉电阻后再连接阻容滤波电路中的滤波电阻，上拉电阻与滤波电阻之间接入±10V基准电压源。

ADG433是一款单芯片CMOS器件，内置四个独立可选的开关，有两个开关的接通条件是控制输入为逻辑高电平，其它两个开关的控制逻辑相反。当四个输入端口输入PWM波形为低电平或高电平时，任意时间均有2路开关导通并输出指定幅度的脉冲电压信号。因此，本实施例仅需取D1-S1至D4-S4中任一一对控制逻辑相反的两个通道输出PWM_OUT信号，如选取D1-S1和D2-S2，当输入PWM信号为0V时，模拟开关的D1、S1断开，D2、S2接通，输出信号PWM_OUT为10V。当输入PWM信号为3.3V时，模拟开关的D1、S1接通，D2、S2断开，输出信号PWM_OUT为-10V。可见，输入PWM信号和输出PWM_OUT信号波形如图3所示。输出PWM电压信号的频率与PWM输入信号频率相同，幅值由阻容滤波、上拉电阻及基准电压源决定，可根据需要调整。

以上，ADG433也可替换为其他模拟开关芯片，如ADG432、ADG431，这两种芯片中的各通道控制逻辑相同，通过增加非门可实现PWM信号到连续脉冲电压信号的转换。

如图4所示，电压提取单元包括依次设置的电压跟随器、VCVS(压控电压源)低通滤波器和分压电路；电压跟随器接收幅度调整单元输出的电压信号，对信号的输入输出阻抗进行调节，后输出至低通滤波器进行高频信号滤除处理，低通滤波器的输出端连接分压电路，以输出指定电压、且电压与占空比成正比的直流电压信号。

本实施例中，电压提取单元采用TL082双运算放大器，一方面用作电压跟随器，调节信号的输入输出阻抗，另一方面用作VCVS低通滤波器，由R1、R2、C1、C2组成二阶低通滤波器。TL082的第一运放的正向输入端引脚3接入幅度调整单元输出的电压信号，反向输入端引脚2连接第一输出端引脚1，作为电压跟随器；第二运放的正向输入端引脚5连接所述第一输出端引脚1，反向输入端引脚6连接第二输出端引脚7，第二输出端经电阻R3后输出所述直流电压信号V_{LPF_OUT}；第一输出端与第二运放的正向输入端之间设置二阶低通滤波电路。

二阶低通滤波电路中，电阻R1和R2串接在第一输出端与第二运放的正向输入端之间，电容C1一端连接R2与第二运放正向输入端之间连接点，另一端接地；电容C2一端连接R1与R2的连接点，另一端连接TL082双运算放大器的引脚7；二阶低通滤波电路与TL082双运算放大器的第二运放组成所述低通滤波器。

当R1＝R2＝20kΩ，C1＝C2＝1nF时，可计算得到低通截止频率为fc＝800Hz。

当低通滤波器输入6kHz、0～3.3V的PWM信号时，6kHz的高频信号被完全滤除，仅输出与占空比成正比的直流电压信号。通过改变占空比(0-100％)调节直流电压大小，占空比越高则直流电压越大。

分压电路包括串接的电阻R3和R4，R3与R4的连接点为直流电压信号输出端，电阻R4另一端接地，且其上并接有电容C3；由R3、R4阻值决定分压后输出电压的大小。当R3＝R4＝30kΩ，直流电压信号的电压满足以下关系式：

V_{FY_OUT}＝V_{LPF_OUT}*R4/(R3+R4)＝V_{LPF_OUT}/2

式中，V_{LPF_OUT}为第二运放反向输入端输入的电压。

如图5所示，恒流输出单元包括电压跟随器、推挽输出电路和减法器，所述电压跟随器接收电压提取单元输出的直流电压信号V_{FY_OUT}，对信号的输入输出阻抗进行调节，后经推挽输出电路传输至减法器，转换为恒定的直流电流信号Io，并输出。

减法器由电阻R11～R14组成，电压跟随器采用TL082双运算放大器，其第一运放的正向输入端连接电压提取单元的输出端，反向输入端经电容C11连接第一输出端以及经电阻R31连接第二输出端；

推挽输出电路的输出端串接电阻R10和RL，电阻RL连接电阻R10一端的对端为恒流输出单元的直流输出端；推挽输出电路的输出端与电阻R10的连接点与接地端之间串接有电阻R11和R13，电阻R11与R13的连接点连接至电压跟随器第二运放的正向输入端；电阻R10余RL的连接点经电阻R12连接至电压跟随器第二运放的反向输入端，第二运放的反向输入端经电阻R14连接至第二输出端。

恒流输出单元中，输入输出关系满足：VP＝V1*R13/(R11+R13)

(V2-VP)/R12＝(VP-VO)/R14

当R11＝R12，R13＝R14，则V_O＝(R13/R11)(V1-V2)

当R11＝200kΩ，R13＝470kΩ时，Vo＝2.35(V1-V2)

可见，减法器主要实现对电压V1和V2的差放大2.35倍的功能。

当输入PWM占空比100％时，V_{FY_OUT}＝4.58V，V_O＝V_{FY_OUT}＝4.58V，V1-V2＝Vo/2.35＝1.95V。

当R10＝39Ω时，Io＝(V1-V2)/R10＝1.95V/39Ω＝50mA。

当输入PWM占空比0％时，V_O＝V_{FY_OUT}＝-4.58V，V1-V2＝Vo/2.35＝-1.95V。

当R10＝39Ω时，Io＝(V1-V2)/R10＝-1.95V/39Ω＝-50mA。

可见，本实施例支持PWM调制的恒流源电路，可通过调节PWM占空比对输出电流大小进行调节，电流输出范围为-50mA～50mA。当输入PWM占空比0％时，输出电流-50mA；当输入PWM占空比100％时，输出电流50mA。R11～R14采用0.1％高精度电阻，电路输出电流精度可达±0.7mA。具有结构简单、控制方便、高精度输出等优点，特别适合一些低成本需求的场合。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种支持PWM调制的恒流源电路，其特征是，包括幅度调整单元、电压提取单元和恒流输出单元；

所述幅度调整单元用于接收PWM输入信号，将输入信号调整为指定幅度和频率的电压信号，输出至电压提取单元；

所述电压提取单元用于将接收到的电压信号转换为电压与占空比成正比的直流电压信号，输出至恒流输出单元；

所述恒流输出单元用于将接收到的直流电压信号转换为恒定的直流电流信号，并输出。

2.根据权利要求1所述的支持PWM调制的恒流源电路，其特征是，所述幅度调整单元包括多路模拟开关芯片，所述多路模拟开关芯片控制输入端接入所述PWM输入信号，输出端连接上拉电阻，以将输入的PWM信号调整为指定幅度的电压信号并输出。

3.根据权利要求2所述的支持PWM调制的恒流源电路，其特征是，所述多路模拟开关芯片的输出端还连接有阻容滤波电路。

4.根据权利要求2或3所述的支持PWM调制的恒流源电路，其特征是，所述多路模拟开关芯片采用型号为ADG433的模拟开关芯片，其四个输入端引脚中，至少IN1和IN4中的任一引脚，以及IN2和IN3中的任一引脚均接入所述PWM输入信号；输出端S引脚均经下拉电阻接地，输出端D引脚均连接阻容滤波电路，且D引脚在连接上拉电阻后再连接阻容滤波电路中的滤波电阻，上拉电阻与滤波电阻之间接入基准电压源。

5.根据权利要求1所述的支持PWM调制的恒流源电路，其特征是，所述电压提取单元包括依次设置的电压跟随器、低通滤波器和分压电路；所述电压跟随器接收幅度调整单元输出的电压信号，对信号的输入输出阻抗进行调节，后输出至低通滤波器进行高频信号滤除处理，低通滤波器的输出端连接分压电路，以输出指定电压、且电压与占空比成正比的直流电压信号。

6.根据权利要求5所述的支持PWM调制的恒流源电路，其特征是，所述电压提取单元包括TL082双运算放大器，其第一运放的正向输入端接入幅度调整单元输出的电压信号，反向输入端连接第一输出端，作为电压跟随器；第二运放的正向输入端连接所述第一输出端，反向输入端连接第二输出端，第二输出端输出所述直流电压信号；第一输出端与第二运放的正向输入端之间设置二阶低通滤波电路；

所述二阶低通滤波电路包括串接在第一输出端与第二运放的正向输入端之间的电阻R1和R2，一端连接R2与第二运放正向输入端之间连接点另一端接地的电容C1，以及一端连接R1与R2连接点，另一端连接第二运放反向输入端的电容C2；所述二阶低通滤波电路与所述第二运放组成所述低通滤波器。

7.根据权利要求6所述的支持PWM调制的恒流源电路，其特征是，所述分压电路包括串接的电阻R3和R4，R3与R4的连接点为直流电压信号输出端，电阻R4另一端接地，且其上并接有电容C3；

所述直流电压信号的电压满足以下关系式：

V_{FY_OUT}＝V_{LPF_OUT}*R4/(R3+R4)＝V _{LPF_OUT}/2

式中，V _{LPF_OUT}为第二运放反向输入端输入的电压。

8.根据权利要求1所述的支持PWM调制的恒流源电路，其特征是，所述恒流输出单元包括电压跟随器、推挽输出电路和减法器，所述电压跟随器接收电压提取单元输出的直流电压信号，对信号的输入输出阻抗进行调节，后经推挽输出电路传输至减法器，转换为恒定的直流电流信号，并输出。

9.根据权利要求8所述的支持PWM调制的恒流源电路，其特征是，所述电压跟随器采用TL082双运算放大器，其第一运放的正向输入端连接电压提取单元的输出端，反向输入端经电容C11连接第一输出端以及经电阻R31连接第二输出端；

所述推挽输出电路的输出端串接电阻R10和RL，电阻RL连接电阻R10一端的对端为恒流输出单元的直流输出端；推挽输出电路输出端与电阻R10的连接点与接地端之间串接有电阻R11和R13，电阻R11与R13的连接点连接至电压跟随器第二运放的正向输入端；电阻R10余RL的连接点经电阻R12连接至电压跟随器第二运放的反向输入端，第二运放的反向输入端经电阻R14连接至第二输出端；其中，电阻R11、R 12、R13和R14组成所述减法器。

10.根据权利要求9所述的支持PWM调制的恒流源电路，其特征是，恒流输出单元中，R11＝R12，R13＝R14，输入输出关系满足：

V_O＝(R13/R11)(V1-V2)

I_O＝(V1-V2)/R10

V_O为电压跟随器第二输出端的电压，V1为推挽输出电路输出的电压，V2为电阻R10与RL连接点上的电压，I_O为所述直流输出端输出的电流。

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