CN203350754U - 一种程控电流源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电流源装置，具体涉及一种程控电流源装置。所述电流源包括：CPU控制电路以及多个转换模块；所述CPU控制电路接收上位机输出的数据，同时向每个所述转换模块输出执行信号，所述执行信号包括：控制信号和数据信号；每个所述转换模块包括：D/A转换电路以及V/I转换电路；所述D/A转换电路接收所述CPU控制电路输出的执行信号，同时向所述V/I转换电路提供模拟电压信号；所述V/I转换电路将所述模拟电压信号进行转换后输出模拟电流信号。上述实施例的电流源可以提供多路输出，且输出动态范围宽且精度高。

Description

一种程控电流源

技术领域

本实用新型涉及电流源装置，具体涉及一种程控电流源装置。

背景技术

由于电流信号比电压信号具有更强的抗干扰能力，特别是进行远距离信号传输的时候，因此各种电流源被广泛应用于工业控制中。在工业应用中，常需要将各类物理量如电压、功率、频率、温度、压力、速度、角度等转换成电流量由后端电路或设备进行处理或显示。

在以惯性导航系统(以下简称惯导系统)地面半实物仿真测试中，需要用动态模拟电流石英挠性加速度计的电流输出，进而模拟飞行弹道曲线的加速度分量，用以作为惯导系统飞行姿态和动态特性地面仿真测试的依据，这种仿真方式可以弥补三轴飞行仿真转台模拟加速度值范围小、对瞬时加速度不易控制等缺点。

作为惯导系统仿真应用的电流源应该满足以下要求：

a)能够提供至少三路的电流输出；

b)精度高，为配合加速度计的精度指标，电流输出精度需达到10^-4量级；

c)电流输出能够快速连续性变化，数据更新率不低于2ms；

d)具有较大的动态范围。

但是经过调研，目前业界没有一款电流源能够同时满足上述惯导系统仿真的专用需求，主要表现在：其一、静态输出精度高，但不能快速动态变化，例如FLUKE5500\5700系列；其二、输出路数单一，如果需要多路输出，只能用多个电流源组合而成；其三，大部分输出动态范围大的电流源，其精度一般比较低，在±5％左右。

因此，亟待一种具有多路输出的宽范围、高精度且快速程控电流源。

实用新型内容

本实用新型实施例提供的一种程控电流源，用于解决现有技术中业界没有一款电流源能够同时满足上述惯导系统仿真的专用需求。

本实用新型实施例提供一种程控电流源，所述电流源包括：

CPU控制电路以及多个转换模块；

所述CPU控制电路接收上位机输出的数据，同时向每个所述转换模块输出执行信号，所述执行信号包括：控制信号和数据信号；

每个所述转换模块包括：D/A转换电路以及V/I转换电路；所述D/A转换电路接收所述CPU控制电路输出的执行信号，同时向所述V/I转换电路提供模拟电压信号；

所述V/I转换电路将所述模拟电压信号进行转换后输出模拟电流信号。

上述程控电流源，其中，所述电流源还包括：隔离电路；所述隔离电路位于所述CPU控制电路与转换模块的传输线路之间，用于对所述CPU控制电路输出的信号以及所述D/A转换电路输入的信号进行隔离。

上述程控电流源，其中，所述D/A转换电路包括：两个DAC单元以及合成电路，所述合成电路接收两个所述DAC单元的输出信号并合成一个模拟电压信号后，发送给所述V/I转换电路；其中，

第一个DAC单元用于对所述数据信号的高位进行数模转换，第二个DAC单元用于对所述数据信号的低位数模转换。

上述程控电流源，其中，所述合成电路包括比例加法器，每个所述DAC单元的输出端均连接所述比例加法器，所述比例加法器将每个所述DAC单元的输出信号进行加法运算后，输出给所述V/I转换电路。

上述程控电流源，其中，所述合成电路还包括：跟随电路；

所述跟随电路包括两个运算放大器，其中，每个所述运算放大器连接一个所述DAC单元；所述跟随电路接收每个所述DAC单元的输出信号后，输出给所述比例加法器。

上述程控电流源，其中，所述比例加法器还包括电位计，用于对所述比例加法器的输出漂移进行调整。

上述程控电流源，其中，所述V/I转换电路包括超低噪声运算放大单元。

上述程控电流源，其中，所述CPU控制电路通过程控接口向每个所述转换模块输出执行信号；所述程控接口为以下任意一接口：RS232接口、RS422接口、RS485接口或以太网接口。

上述程控电流源，其中，所述隔离电路为四通道高速数字隔离芯片。

上述程控电流源，其中，所述电流源由高稳定的线性电源或线性电源电路供电。

本实用新型实施例提供的程控电流源，可以输出高分辨能力的电流、且动态电流输出更新时间快，可全量程范围内快速连续性变化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例中程控电流源结构示意图；

图2为本实用新型实施例中D/A转换电路的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中V/I转换电路的结构示意图。

且体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例作进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

本实用新型实施例提供一种程控电流源，如图1所示，所述电流源包括：

CPU控制电路11以及多个转换模块13；

所述CPU控制电路11其主要是用于对后续的电路进行控制以及实施数据的分配，因此其接收上位机(图未示)输出的数据，同时向每个所述转换模块13输出执行信号，所述执行信号包括：控制信号和数据信号；较佳的CPU控制电路可以由任何处理器芯片如单片机、DSP、可编成逻辑器件(FPGA或CPLD)或处理器与可编程器件的组合等构成，但并不限于本实用新型实施例所列举的。

每个所述转换模块13包括：D/A转换电路131以及V/I转换电路132；所述D/A转换电路131接收所述CPU控制电路11输出的执行信号，同时向所述V/I转换电路132提供模拟电压信号。

较佳的，现有技术中的电流源由于输出路数单一，当需要多路输出时需要使用多个电流源组合，而在本实用新型实施例中只需控制CPU控制电路所输出的执行信号，便能实现多路相同的输出，方便在特殊场合使用。

较佳的，由于D/A转换电路的功能是将来自前端电路(例如本实用新型实施例中的上位机)提供的数字形式的数据进行相应并转换成模拟电压量输出，随后由所述V/I转换电路132将所述模拟电压信号进行转换后输出模拟电流信号，实现电流源的功能。

较佳的，本实用新型实施例中还包括隔离电路12，所述隔离电路12位于所述CPU控制电路11与转换模块13的传输线路之间，用于对所述CPU控制电路11输出的信号以及所述D/A转换电路131输入的信号进行隔离。由于前端电路输出信号电平与后端电路输入信号电平可能会不一致或电源不同，因此进行电平转换或电源隔离后方便进行信号传递。较佳的，所述隔离电路所用芯片可以是一高速光耦芯片或磁耦隔离芯片。

较佳的，隔离电路由四通道高速数字隔离芯片ADUM1400及其外围电路组成。

较佳的，本实用新型实施例的CPU控制电路具体由数字信号处理器DSP和可编程逻辑器件FPGA以及相关的外围电路组成。DSP可以选用TI公司的TMS320F2812，该处理器做为一款高性能数字处理器，主要实现与上位机的协议通讯、标定过程控制、精度补偿算法的等。FPGA可以选用Xilinx的XCS3S400，该智能芯片主要完成D/A转换电路的输出控制和时序控制、通讯模块时序控制、输出数据实时更新控制和接口扩展等，FPGA的使用，也是保证输出电流快速变化的一个关键。

本实用新型实施例提供的程控电流源，较佳的，所述D/A转换电路包括：两个DAC单元以及合成电路。

具体的，本实用新型实施例中依靠D/A转换能够电路保证输出高精度电流。作为高精度电流源的D/A转换电路，要想使输出电流分辨力达到100nA，需要具备20位以上的分辨能力，而对于单片的D/A转换芯片，具备20位以上的分辨的基本都是音频数模转换专用的，要改造成通用的D/A转换器有一定的难度，因此，本实用新型中在不改变现有的音频数模转换专用的D/A转换芯片的情况下，采用将两片D/A转换芯片组合设计，可以实现精度高且动态实现范围大的转换电路。

较佳的，第一个DAC单元用于对所述数据信号的高位进行数模转换，第二个DAC单元用于对所述数据信号的低位数模转换。

其中，如图2所示，包括两个DAC单元分别为D/A转换芯片DACH以及D/A转换芯片DACL，DACH实现对接收的数据信号的高位进行数模转换，DACL实现对所述数据信号的低位进行数模转换。较佳的，该DAC单元选用业界水平较高的高精度D/A转换芯片AD760，具有18位的分辨率。其中在本实用新型实例中，本实用新型实施例提供的宽范围高精度的快速程控电流源，较佳的，所述DAC单元含有16位有效数据位。因此如果需要实现26位的分辨率，即采用每片D/A转换芯片只取低16个有效位，中间6位共用，具体分配如表一所示，即DACH的高10位(D15～D6)相当于实际输出的D25～D16，DACL的低10位(D9～D0)相当实际输出的低10位D9～D0中间共用的6位由测试效果决定。

本使用新型实施例的D/A转换电路实现的26位分辨率，使输出理论分辨力可达到[50-(-50)]/2²⁶≈1.5nA，保证了后端电路具有输出±100nA～±50mA的能力，并且这种方式可全量程范围内快速连续性变化，避免了某些电流源因切换量程导致速度慢、连续性差的缺点。

表一

等效	DACL	DACH
			D25		D15
D24		D14
			D23		D13
D22		D12
			D21		D11
D20		D10
			D19		D9
D18		D8
			D17		D7
D16		D6
			D15	D15	D5
D14	D14	D4
			D13	D13	D3
D12	D12	D2
			D11	D11	D1
D10	D10	D0
			D9	D9
D8	D8
			D7	D7
D6	D6
			D5	D5
D4	D4
			D3	D3
D2	D2
			D1	D1
D0	D0

随后，由所述合成电路接收两个所述DAC单元的输出信号并合成一个模拟电压信号后，发送给所述V/I转换电路。

在本实用新型又一较佳的实施例中，如图2所示，由于D/A转换芯片的控制信号和数据信号和数据信号来自于前端的FPGA(图未示)，FPGA为3.3V供电，而D/A转换芯片是5V供电，因此需要将这些信号进行3V-5V的隔离转换，具体隔离信号有DA0～DA7、DAOK0～DAOK1、DACAL、DALDAC、DACLR、DAHBE、DALBE、DACS0～DACS1。

本实用新型实施例提供的程控电流源，较佳的，所述合成电路包括比例加法器，每个所述DAC单元的输出端均连接所述比例加法器，所述比例加法器将每个所述DAC单元的输出信号进行加法运算后，输出给所述V/I转换电路。在2个DAC单元输出之后加入比例加法器，使输出达到更高的分辨能力。

较佳的，图2中由于DACL的16位数据相当于整体右移10位作为26位数据的低16位，因此，要保证26位输出的单调性，DACL的输出要除以1024，即比例加法器的比例电阻R1～R4选择为1∶1024，使得此时比例加法器的输出为

$V_{\mathrm{ADD}}=V_{\mathrm{DACH}}+\frac{1}{1024}{V}_{\mathrm{DACL}}...\left(1\right)$

较佳的，电阻R1～R4为精密电阻。

本实用新型实施例提供的程控电流源，较佳的，所述合成电路还包括：跟随电路；

所述跟随电路包括两个运算放大器，其中，每个所述运算放大器连接一个所述DAC单元；所述跟随电路接收每个所述DAC单元的输出信号后，输出给所述比例加法器。加法器前端的跟随电路主要用来做缓冲，同时起到提高带载能力的作用。

本实用新型实施例提供的程控电流源，较佳的，如图2所示，所述比例加法器还包括电位计R5，用于对所述比例加法器的输出漂移进行调整。

本实用新型实施例提供的程控电流源，较佳的，所述V/I转换电路包括超低噪声运算放大单元。

本实施例的V/I转换电路是保证输出高精度电流的另一关键电路，如图3所示，主要由超低噪声运放和精密匹配电阻组成，运放选用AD公司AD797BR。图3中，R12为取样电阻，在R8＝R10，R9+R12＝R11的严格匹配关系下，可得到如下关系式：

I_out＝V_dacin×[R11/(R12×R8)]..........................................(2)，

其中，Vdacin为D/A转换电路的比例加法器的输出，即图2中的Vdacout。由式(2)可知，若取

R11/(R12×R8)＝5..........................................(3)，

则可得

I_out＝5V_dacin(mA)..........................................(4)。

在本实用新型实施例中，较佳的，电阻R1～R5取值定为：R1＝R4＝10KΩ，R2＝1.47KΩ，R3＝30Ω，R5＝1.5KΩ，其中，Vdacin由DAC芯片决定，可以为-10V～+10V，代入到式(4)中，可知，Iout理论上的动态输出范围为-50mA～+50mA，且运算放大器AD797BR的典型电流输出能力为-50mA～+50mA，为设计提供了保证。

本实用新型实施例提供的程控电流源，较佳的，所述CPU控制电路通过程控接口向每个所述转换模块输出执行信号；所述程控接口为以下任意一接口：RS232接口、RS422接口、RS485接口或以太网接口。

较佳的，为保证输出电流的快速变化，程控接口采用RS422协议接口，较佳的，为Maxim的串口转换芯片MAX3160实现。其通讯波特率为115200bps～1843200bps之间可调。以独立输出四路电流为例，每路电流数据位26位，占用4个字节，每更新一次数据，一个数据帧除数据外，还包括帧头2个字节、帧标志1个字节、帧长度2个字节、校验和1个字节，这样，一个数据帧长度至少为：帧头+帧标志+电流1+电流2+电流3+电流4+校验和＝2+1+4+4+4+4+1＝22字节，若每个字节包括1个起始位、8个数据位、1个停止位，则占用10个位宽，那么一帧数据将占用220个位宽，以2ms更新时间计算，则通讯波特率至少为110000bps，为便于时钟分频，则波特率至少取115200bps才能保证每一数据帧的传输时间不低于2ms，从而能够保证电流输出更新时间不低于2ms。

本实用新型实施例提供的程控电流源，较佳的，所述隔离电路为四通道高速数字隔离芯片。

本实用新型实施例提供的程控电流源，较佳的，所述电流源由高稳定的线性电源或线性电源电路供电。供电电压可以包括±15V和+5V。

本实用新型具体可提供电流输出路数不少于3路(因为惯导系统具有3个轴向)，具体可提供的电流输出范围为-50mA～+50mA(每1g加速度与1.1～1.4mA加速度计输出电流相当，具体与石英挠性加速度计性能参数有关)，具体可提供26位理论分辨率，实际输出电流分辨能力不低于100nA，具体可提供动态电流输出更新时间不低于2ms。

本实用新型上述实施例经过各个电路环节的精密设计，可保证23位的输出精度，电流输出阈值理论上可达到12nA的水平，在国内处于较高的水平，经过实际应用，效果良好。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种程控电流源，其特征在于，所述电流源包括： 

CPU控制电路以及多个转换模块； 

所述CPU控制电路接收上位机输出的数据，同时向每个所述转换模块输出执行信号，所述执行信号包括：控制信号和数据信号； 

每个所述转换模块包括：D/A转换电路以及V/I转换电路；所述D/A转换电路接收所述CPU控制电路输出的执行信号，同时向所述V/I转换电路提供模拟电压信号； 

所述V/I转换电路将所述模拟电压信号进行转换后输出模拟电流信号。 

2.根据权利要求1所述的程控电流源，其特征在于，所述电流源还包括：隔离电路；所述隔离电路位于所述CPU控制电路与转换模块的传输线路之间，用于对所述CPU控制电路输出的信号以及所述D/A转换电路输入的信号进行隔离。 

3.根据权利要求1所述的程控电流源，其特征在于，所述D/A转换电路包括：两个DAC单元以及合成电路，所述合成电路接收两个所述DAC单元的输出信号并合成一个模拟电压信号后，发送给所述V/I转换电路；其中， 

第一个DAC单元用于对所述数据信号的高位进行数模转换，第二个DAC单元用于对所述数据信号的低位数模转换。 

4.根据权利要求3所述的程控电流源，其特征在于，所述合成电路包括比例加法器，每个所述DAC单元的输出端均连接所述比例加法器，所述比例加法器将每个所述DAC单元的输出信号进行加法运算后，输出给所述V/I转换电路。 

5.根据权利要求4所述的程控电流源，其特征在于，所述合成电路还包括：跟随电路； 

所述跟随电路包括两个运算放大器，其中，每个所述运算放大器连接一个所述DAC单元；所述跟随电路接收每个所述DAC单元的输出信号后，输出给所述比例加法器。 

6.根据权利要求4所述的程控电流源，其特征在于，所述比例加法器还包括电位计，用于对所述比例加法器的输出漂移进行调整。 

7.根据权利要求1所述的程控电流源，其特征在于，所述V/I转换电路包括超低噪声运算放大单元。 

8.根据权利要求1所述的程控电流源，其特征在于，所述CPU控制电路通过程控接口向每个所述转换模块输出执行信号；所述程控接口为以下任意一接口：RS232接口、RS422接口、RS485接口或以太网接口。 

9.根据权利要求2所述的程控电流源，其特征在于，所述隔离电路为四通道高速数字隔离芯片。 

10.根据权利要求1所述的程控电流源，其特征在于，所述电流源由高稳定的线性电源或线性电源电路供电。 

Images