CN201417402Y - 一种用于星载电场仪中的数控恒流源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种通过单片机控制的用于星载电场仪中的数控恒流源装置，包括：恒流源控制电路与电流方向选择开关电连接，该恒流源控制电路输出的电流方向控制端同时与第一电流方向选择开关和第二电流方向选择开关电连接；第一电流方向选择开关与正向恒流源电路电连接，第一电流方向选择开关与负向恒流源电路电连接；正向恒流源电路与第二电流方向选择开关电连接，负向恒流源电路与第二电流方向选择开关电连接，第二电流方向选择开关的输出端接负载。该数控恒流源装置根据单片机输出指令，输出对应的恒定直流电流，其电流最小达nA量级；电流方向由控制信号确定，实现正负方向的恒流输出，且对负载的阻抗变化承受力强，电路规模小便于在空间环境中使用。

Description

一种用于星载电场仪中的数控恒流源装置

技术领域

本实用新型涉及一种电流恒流源电路，特别是涉及一种由单片机控制可输出直流电流的精密微电流恒流源电路，用于星载电场探测中对探测器探针施加恒流偏置的数控恒流源装置。

背景技术

空间电场是研究空间天气学和空间环境一个很重要的参量，它的数值大小及其变化涉及到太阳活动、雷暴活动、地震活动及大气环境污染等。监测电场、了解空间电状态，可以为太阳活动对近地环境的影响、雷暴和地震预警提供直接的资料，提高对灾害性天气的预报能力，并为航天活动提供空间电环境状态数据。

近20年来，在地面和卫星上探测到了大量与地震相关的电磁异常信号，由于在地面的观测受到地域和观测条件的限制，其观测结果相对少，观测结果受噪声干扰大，有时甚至被其他信号所掩盖而难以识别，缺乏有意义的统计结果。因此卫星将是获取空间电磁资料并进行地震预测研究的最为有效的工具。国际上目前已发射了以观测地震和火山喷发过程中相关的电磁场变化为目的的多颗地震卫星，如COMPASS系列卫星(俄罗斯)、QuakeSat卫星(美国)和DEMETER卫星(法国)等。

在空间电场探测中，常采用双探针测量方法，该方法是向空间伸出两杆，在各自的端头安装与其有电性绝缘的金属球或金属圆柱体作为探针即电场传感器。当两探针上的电位与其各自周围等离子体的电位一致时，测量出两探针之间的电位差除以两探针之间的距离就得到了沿伸杆方向的电场分量。

在该测量方法中，由于探针被周边等离子体所包围，会产生等离子体鞘，该等离子鞘的等效鞘电阻通常比较高，会严重影响探测的精度，为了解决这个问题，通常需要给探针施加纳安量级的微弱电流，来能降低该鞘电阻的阻抗，提高测量的精度。而且，给探针施加恒流偏置，也可以使探针能更好的与其周边等离子体电位保持一致。因此，压控精密恒流源电路是双探针测量方法中的一项关键技术。

根据测量需要，对恒流源提出以下要求：可以根据单片机的输出指令，输出对应的恒定直流电流；电流的方向可以由控制信号确定；输出电流最小为±10nA，最大为±1.28uA，步进为10nA；恒流源的输出负载应为接地负载；应能承受较大的变化的负载电阻；输出电流受供电电压的影响小；电路的规模应小，以方便安装在探针的有限空间内。

由于现有的一些恒流源电路都存在以下问题：输出电流通常最小都在uA量级以上，而一些专业的可以提供nA量级的专用恒流源电路都存在电路复杂，设备体积庞大的问题，一些恒流源电路还需要高精度的参考电压源，恒流源的输出负载不是接地负载等等。

比如，在“一种高精度数控直流电流源的设计与实现”一文中介绍了一种数控恒流源电路，该电路可以实现20mA-3000mA的可调电流输出，该电路的特点为需要有高精度的参考电压源，对供电电压的稳定度要求较高，不能实现双向恒流输出。在“数控恒流源设计”中提到了一种恒流源设计，但是该设计输出电流精度取决于采样电阻，对于微弱的小电流，需要有高阻值的精密电阻，使得设计难以实现。

发明内容

本实用新型的目的在于，克服已有恒流源输出电流大，电路复杂，体积庞大等不能满足电场探测需要的问题，从而提供一种由单片机控制的nA量级的恒流输出，采用了正负两套恒流源电路，可以用控制信号来控制负载上的电流方向，实现双向恒流输出的通过单片机控制的用于星载电场仪中的数控恒流源装置。该装置输出电流精度与供电电压无关，不需要高精度的参考电压源，降低了电路的复杂度和成本。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型提供的一种用于星载电场仪中的数控恒流源装置(如图2)，包括：

一恒流源控制电路1和正向恒流源电路3；其特征在于，还包括负向恒流源电路4、第一电流方向选择开关2和第二电流方向选择开关5；

其中，所述的恒流源控制电路1的控制电压输出端与所述的电流方向选择开关2电连接，该恒流源控制电路1的电流方向控制输出端同时接所述的第一电流方向选择开关2和所述的第二电流方向选择开关5的控制端；所述的第一电流方向选择开关2的输出端S1A与所述的正向恒流源电路3的输入端相连，所述的第一电流方向选择开关2的输出端S1B与所述的负向恒流源电路4的输入端相连；所述的正向恒流源电路3的输出端与所述的第二电流方向选择开关5的输入端S2A电连接，所述的负向恒流源电路4的输出端与所述的第二电流方向选择开关5的输入端S2B电连接，所述的第二电流方向选择开关5的输出端接负载。

在上述的技术方案中，所述的恒流源控制电路1由单片机1-5、数模转换器1-6、三个运算放大器以及一个2选1模拟开关1-8组成；其中，所述的单片机1-5与数模转换器1-6电连接，所述的数模转换器1-6与第一运算放大器1-7电连接；第一运算放大器1-7的输出端1-1与2选1模拟开关1-8的输入端电连接，该第一运算放大器1-7的输出端1-1与电阻R7的1-4端电连接，所述的第二运算放大器1-9与电阻R₇、R₈构成反向电路，该第二运算放大器1-9的输出端1-2与所述的2选1模拟开关1-8的输入端S3B电连接；该2选1模拟开关1-8的输出端与第三运算放大器1-10的输入端电连接，所述的第三运算放大器1-10的输出端VCC_input与第一电流方向选择开关2电连接。

在上述的技术方案中，所述的单片机1-5的输出口1-3(即图2中的P1.0)的输出信号输入到2选1模拟开关1-8的控制端，还同时输入到第一电流方向选择开关2和与第一电流方向选择开关5的信号控制端。

在上述的技术方案中，所述的第一电流方向选择开关2和第二电流方向选择开关5分别为一个2选1模拟开关。

在上述的技术方案中，所述的第一电流方向选择开关2、第二电流方向选择开关5、所述的正向恒流源电路3以及所述的负向恒流源电路4共同构成了恒流源电路；其中，所述的第一电流方向选择开关2的两个输出端(S1A，S2A)分别和所述的正向恒流源电路3、所述的负向恒流源电路4电连接。

在上述的技术方案中，所述的正向恒流源电路3由第一级恒流源3-1和第二级恒流源3-2两部分组成，其中，所述的第一级恒流源电路3-1是由第四运算放大器U3A与N沟道结型场效应管Q3以及电阻R₁构成；其中，第一电流方向选择开关2的S1A输出端接第四运算放大器U3A的同相输入端，第四运算放大器U3A的负相输入端同时与电阻R₁及N沟道结型场效应管Q3的源级电连接；第四运算放大器U3A的输出端直接接N沟道结型场效应管Q3的栅极，N沟道结型场效应管Q3漏极与第五运算放大器U3B的同相输入端和电阻R₃电连接；

所述的第二级恒流源电路3-2是由第五运算放大器U3B、P沟道MOS场效应管Q4与电阻R₂、R₃构成；第五运算放大器U3B的负相输入端同时与电阻R₂及P沟道MOS场效应管Q4的源级电连接，第五运算放大器U3B的输出端直接与P沟道MOS场效应管Q4的栅极电连接，P沟道MOS场效应管Q4的漏极接第二电流方向选择开关5的输入端S2A。

在上述的技术方案中，所述的负向恒流源电路4由第一级恒流源4-1和第二级恒流源4-2两部分组成，第一级恒流源4-1是由第六运算放大器U4A与P沟道结型场效应管Q1以及电阻R₄构成；第二级恒流源电路4-2是由第七运算放大器U4B、N沟道MOS场效应管Q2与电阻R₅、R₆构成；其中，第一电流方向选择开关2的S1B输出端接第六运算放大器U3A的同相输入端，第六运算放大器U3A的负相输入端同时与电阻R₄及P沟道结型场效应管Q1的源级电连接；第六运算放大器U4A的输出端直接接P沟道结型场效应管Q1的栅极，P沟道结型场效应管Q1漏极与第七运算放大器U4B的同相输入端和电阻R₆电连接；第七运算放大器U4B的负相输入端同时与电阻R₅及N沟道MOS场效应管Q2的源级电连接，第七运算放大器U4B的输出端直接与N沟道MOS场效应管Q2的栅极电连接，N沟道MOS场效应管Q2的漏极接第二电流方向选择开关5的输入端S2B。

在上述的技术方案中，所述的第二电流方向选择开关5的输出端接负载。

本实用新型相对于已有技术具有的有益效果：

本实用新型提供的一种用于星载电场仪中的数控恒流源装置，实现了由单片机控制的nA量级的恒流输出，输出电流精度与供电电压无关，对供电电压的稳定度要求不高；不需要高精度的参考电压源，降低了电路的复杂度和成本；采用了正负两套恒流源电路，可以用控制信号来控制负载上的电流方向，实现双向恒流输出；该恒流源分为两级的方式，使得仅仅使用很常见的精密电阻，即可实现nA级微弱电路输出；并且其负载为接地负载，电路规模小，很方便安装在探针中。其优点如下：

1.由于采用单片机输出的控制指令，实现对应的nA量级精密恒流输出；

2.由于采用了两套恒流源电路，并使用了电流方向选择开关来选择电流方向，因此，电流方向的改变可以很方便的由电流方向控制信号加以控制，实现双向恒流输出；

3.由于恒流源电路的特别设计，使得输出电流精度与供电电压无关，对供电电压的稳定度要求不高；不需要高精度的参考电压源，降低了电路的复杂度和成本；

4.设计将恒流源分为两级的方式，使得仅仅使用很常见的精密电阻，即可实现nA级微弱电路输出；

5.负载为接地负载，电路可承受较大的负载阻抗变化；

6.电路规模小，能很方便的安装在探针中。

附图说明

图1是本实用新型的用于星载电场仪中的数控恒流源装置组成框图

图2是本实用新型的装置中恒流源控制电路的电路原理图

图3是发明的装置中恒流源电路的电路原理图

图面说明：

1-恒流源控制电路           2-第一电流方向选择开关

3-正向恒流源电路           4-负向恒流源电路

5-第二电流方向选择开关     3-1正向第一级恒流源

3-2正向第二级恒流源        4-1负向第一级恒流源

4-2负向第二级恒流源

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。

参考图1，制作一本实用新型的用于星载电场仪中的数控恒流源装置。

本实施例的单片机1-5可以使用至少要能输出9位的数字信号单片机，例如型号为80C31的单片机。该单片机1-5给出一个8位的数字信号(P0.0-P0.7)，表示了一个电压值，将P0.0-P0.7信号输出端口分别与模数转换器1-6的数字信号输入端(D0-D7)相连，于是模数转换器1-6将由单片机1-5送来的数字电压值转换为相应的正的模拟电压信号，经由第一运算放大器1-7的输出端1-1输出。第一运算放大器1-7的输出端1-1接到2选1模拟开关1-8的输入端S3A，同时与电阻R7的1-4端电连接。第二运算放大器1-9与电阻R₇、R₈构成反向电路，输出1-2接到2选1模拟开关1-8输入端S3B。2选1模拟开关1-8的输出端接到第三运算放大器1-10的输入端，第三运算放大器1-10连接成电压跟随电路方式，第三运算放大器1-10的输出端VCC_input接电流方向选择开关2。单片机1-5的输出口1-3(即图2中的P1.0)的输出信号为电流方向控制信号CONTROL，该电流方向控制信号信号输入到2选1模拟开关1-8的控制端，还同时输入到第一电流方向选择开关2和与第一电流方向选择开关5的信号控制端。由于2选1模拟开关1-8的控制引脚上为高电平时，将引脚D3与S3A引脚导通，当该控制引脚上为低电平时，将引脚D3与S3B引脚导通。于是，当电流方向控制信号CONTROL为高电平时，输出的控制电压VCC_input为正的模拟电压，使得后续恒流源电路可以输出正向电流；当CONTROL为低电平时，输出的控制电压VCC_input为负的模拟电压，使得后续恒流源电路可以输出负向电流。

本实施例的第一电流方向选择开关2和第二电流方向选择开关5采用市场上购买的2选1模拟开关1-8，但要求漏电流要小于1nA的即可。

恒流源控制电路1的控制电压输出端(VCC_input)接到电流方向选择开关2的信号输入端，恒流源控制电路1的电流方向控制端CONTROL同时接电流方向选择开关2和电流方向选择开关5的控制输入端。于是，可以由所述的电流方向控制控制端CONTROL来同时控制电流方向选择开关2和电流方向选择开关5的导通方向，实现正向电流通路和负向电流通路的选择。

本实施例的正向恒流源电路3如图3中的虚线框3所示，该正向恒流源电路3的组成：第四运算放大器U3A、第五运算放大器U3B、N沟道结型场效应管Q3、P沟道MOS场效应管Q4以及电阻R₁，R₂，R₃共同组成了正向恒流源电路3。其中，第四运算放大器U3A、N沟道结型场效应管Q3和电阻R₁构成第一级恒流源3-1，运放的输出直接接N沟道结型场效应管Q3的栅极，N沟道结型场效应管Q3的源级接电阻R₁，N沟道结型场效应管Q3的漏极接U3B的正向输入端和电阻R₃上。于是第一级恒流源的电流由输入电压与电阻R₁来确定，该电流为 $I_1=\frac{\mathrm{VCC}\_\mathrm{input}}{R_1}.$ 第五运算放大器U3B、P沟道MOS场效应管Q4和电阻R₂，R₃构成了第二级恒流源3-2。运放的输出直接接P沟道MOS场效应管Q4的栅极，P沟道MOS场效应管Q4的漏极接电流方向选择开关5的输入端S2A，于是，第二级恒流源的电流可以得到： $I_2=\left(\frac{R_3}{R_2}\right)*I_1=\left(\frac{R_3}{R_1*R_2}\right)*\mathrm{VCC}\_\mathrm{input}.$ 所选用的电阻均应为精密电阻，以保证电流精度。正电压VCC直接与电阻R₂，R₃连接，以实现输出正向电流。

本实施例的负向恒流源电路4如图3中的虚线框4所示，该负向恒流源电路4的组成：第六运算放大器U4A、第七运算放大器U4B、P沟道结型场效应管Q1、N沟道MOS场效应管Q2以及电阻R₄，R₅，R₆共同组成了负向恒流源电路4。其中，第六运算放大器U4A、P沟道结型场效应管Q1和电阻R₄构成第一级恒流源4-1，第七运算放大器U4B、N沟道MOS场效应管Q2和电阻R₅，R₆构成了第二级恒流源4-2。第六运算放大器U4A的输出直接接P沟道结型场效应管Q1的栅极，P沟道结型场效应管Q1的源级接电阻R₄，P沟道结型场效应管Q1的漏极接第七运算放大器U4B的正向输入端和电阻R₆上。于是第一级恒流源的电流由输入电压与电阻R₄来确定，该电流为 $I_3=\frac{\mathrm{VCC}\_\mathrm{input}}{R_4}.$ 第七运算放大器U4B、N沟道MOS场效应管Q2和电阻R₅，R₆构成了第二级恒流源4-2。第七运算放大器U4B的输出直接接N沟道MOS场效应管Q2的栅极，N沟道MOS场效应管Q2的漏极接电流方向选择开关5的输入端S2A，于是，第二级恒流源的电流可以得到： $I_4=\left(\frac{R_6}{R_5}\right)*I_3=\left(\frac{R_6}{R_4*R_5}\right)*\mathrm{VCC}\_\mathrm{input}.$ 所选用的电阻均应为精密电阻，以保证电流精度。负电压VSC直接与电阻R₅，R₆连接，以实现输出负向电流。

正向恒流源电路3和负向恒流源电路4的输出端分别与电流方向选择开关5的输入端电连接，由电流方向控制控制端CONTROL进行控制，来选择最终的输出电流是正向电流还是负向电流；电流方向选择开关5的输出端接负载。

Claims (7)

1.一种用于星载电场仪中的数控恒流源装置，包括：

一恒流源控制电路(1)和正向恒流源电路(3)；其特征在于，还包括负向恒流源电路(4)、第一电流方向选择开关(2)和第二电流方向选择开关(5)；

其中，所述的恒流源控制电路(1)的控制电压输出端与所述的电流方向选择开关(2)电连接，该恒流源控制电路(1)的电流方向控制输出端同时与所述的第一电流方向选择开关(2)和所述的第二电流方向选择开关(5)的控制端电连接；所述的第一电流方向选择开关(2)的输出端(S1A)与所述的正向恒流源电路(3)的输入端电连接，所述的第一电流方向选择开关(2)的输出端(S1B)与所述的负向恒流源电路(4)的输入端电连接；所述的正向恒流源电路(3)的输出端与所述的第二电流方向选择开关(5)的输入端(S2A)电连接，所述的负向恒流源电路(4)的输出端与所述的第二电流方向选择开关(5)的输入端(S2B)电连接；所述的第二电流方向选择开关(5)的输出端接负载。

2.按权利要求1所述的用于星载电场仪中的数控恒流源装置，其特征在于，所述的恒流源控制电路(1)由单片机(1-5)、数模转换器(1-6)、三个运算放大器以及一个2选1模拟开关(1-8)组成；其中，所述的单片机(1-5)与数模转换器(1-6)电连接，所述的数模转换器(1-6)与第一运算放大器(1-7)电连接；第一运算放大器(1-7)的输出端(1-1)与2选1模拟开关(1-8)的输入端电连接，该第一运算放大器(1-7)的输出端(1-1)与电阻R7的一端(1-4)电连接，所述的第二运算放大器(1-9)与电阻R₇、R₈构成反向电路，该第二运算放大器(1-9)的输出端(1-2)与所述的2选1模拟开关(1-8)的输入端(S3B)电连接；该2选1模拟开关(1-8)的输出端与第三运算放大器(1-10)的输入端电连接，所述的第三运算放大器(1-10)的输出端(VCC_input)与第一电流方向选择开关(2)电连接。

3.按权利要求1所述的用于星载电场仪中的数控恒流源装置，其特征在于，所述的单片机(1-5)的输出口(1-3)的输出信号输入到2选1模拟开关(1-8)的控制端，还同时输入到第一电流方向选择开关(2)和与第一电流方向选择开关(5)的信号控制端。

4.按权利要求1所述的用于星载电场仪中的数控恒流源装置，其特征在于，所述的第一电流方向选择开关(2)和第二电流方向选择开关(5)分别为一个2选1模拟开关。

5.按权利要求1所述的用于星载电场仪中的数控恒流源装置，其特征在于，所述的第一电流方向选择开关(2)、第二电流方向选择开关(5)、所述的正向恒流源电路(3)以及所述的负向恒流源电路(4)共同构成了恒流源电路；其中，所述的第一电流方向选择开关(2)的两个输出端分别和所述的正向恒流源电路

(3)、所述的负向恒流源电路(4)电连接。

6.按权利要求1所述的用于星载电场仪中的数控恒流源装置，其特征在于，所述的正向恒流源电路(3)由第一级恒流源(3-1)和第二级恒流源(3-2)两部分组成，第一级恒流源电路(3-1)是由第四运算放大器(U3A)与N沟道结型场效应管(Q3)以及电阻R1构成；第二级恒流源电路(3-2)是由第五运算放大器(U3B)、P沟道MOS场效应管(Q4)与电阻R₂、R₃构成；其中，第一电流方向选择开关(2)的输出端(S1A)接第四运算放大器(U3A)的同相输入端，第四运算放大器(U3A)的负相输入端同时与电阻R₁及N沟道结型场效应管(Q3)的源级电连接；第四运算放大器(U3A)的输出端直接接N沟道结型场效应管(Q3)的栅极，N沟道结型场效应管(Q3)漏极与第五运算放大器(U3B)的同相输入端和电阻R₃电连接；第五运算放大器(U3B)的负相输入端同时与电阻R₂及P沟道MOS场效应管(Q4)的源级电连接，第五运算放大器(U3B)的输出端直接与P沟道MOS场效应管(Q4)的栅极电连接，P沟道MOS场效应管(Q4)的漏极接第二电流方向选择开关(5)的输入端(S2A)。

7.按权利要求1所述的用于星载电场仪中的数控恒流源装置，其特征在于，所述的负向恒流源电路(4)由第一级恒流源(4-1)和第二级恒流源(4-2)两部分组成，第一级恒流源(4-1)是由第六运算放大器(U4A)与P沟道结型场效应管(Q1)以及电阻R₄构成；第二级恒流源电路(4-2)是由第七运算放大器(U4B)、N沟道MOS场效应管(Q2)与电阻R₅、R₆构成；其中，第一电流方向选择开关(2)的输出端(S1B)接第六运算放大器(U3A)的同相输入端，第六运算放大器(U3A)的负相输入端同时与电阻R₄及P沟道结型场效应管(Q1)的源级电连接；第六运算放大器(U4A)的输出端直接接P沟道结型场效应管(Q1)的栅极，P沟道结型场效应管(Q1)漏极与第七运算放大器(U4B)的同相输入端和电阻R₆电连接；第七运算放大器(U4B)的负相输入端同时与电阻R₅及N沟道MOS场效应管(Q2)的源级电连接，第七运算放大器(U4B)的输出端直接与N沟道MOS场效应管(Q2)的栅极电连接，N沟道MOS场效应管(Q2)的漏极接第二电流方向选择开关(5)的输入端(S2B)。

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