CN214337879U - 一种数控精密电流放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种数控精密电流放大器属于仪器仪表技术领域；该数控精密电流放大器包括：I/V变换单元、数控增益放大单元和V/I变换单元；所述I/V变换单元由零漂移运放OPA2188构成的电压跟随器输出电压，再经过电阻网络输出不同电压，实现I/V变换；所述数控增益放大单元通过旋转编码开关选择所述I/V变换单元的输出电压，实现放大倍数的数字设定；所述V/I变换单元使用精密运放ADA4522‑2降低漂移，再经过电阻R16实现16倍放大；本实用新型数控精密电流放大器，采用纯硬件电路即可实现电流放大倍数的数控调节，同时还具有V/I变换功能，更重要的是，在不同电流放大倍数下，精度都能够得到保证。

Description

一种数控精密电流放大器

技术领域

本实用新型一种数控精密电流放大器属于仪器仪表技术领域。

背景技术

电流放大器在工业生产中具有有广泛应用。一些传感器输出的电流信号十分微弱，需要电流放大器对微弱电流进行放大处理，进而实现对微弱电流信号进行采集和分析；还有一些传感器输出的是电压信号，为了能和后一级电流信号采集电路相匹配，需要进行V/I变换，同时对电流进行放大。

目前，市面上有不少电流放大器，可以对电流信号进行定值放大，其缺点在于放大倍数不能根据需要来调节；还有一些放大倍数能够调节的电流放大器，其参数调节无法数控设置，调节起来不够便捷；另外，市面上的电流放大器无法兼顾电流放大以及V/I变换，以及无法在调节电流放大倍数时保证精度，都是现有技术存在的问题。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型公开了一种数控精密电流放大器，采用纯硬件电路即可实现电流放大倍数的数控调节，同时还具有V/I变换功能，更重要的是，在不同电流放大倍数下，精度都能够得到保证。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种数控精密电流放大器，包括：I/V变换单元、数控增益放大单元和V/I变换单元；所述I/V变换单元由零漂移运放OPA2188构成的电压跟随器输出电压，再经过电阻网络输出不同电压，实现I/V变换；所述数控增益放大单元通过旋转编码开关选择所述I/V变换单元的输出电压，实现放大倍数的数字设定；所述V/I变换单元使用精密运放ADA4522-2降低漂移，再经过电阻R16实现16倍放大；

所述I/V变换单元包括：输入端口15EDGX2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6构成的电阻网络、保护二极管PESD12V和零漂移运放OPA2188；所述输入端口15EDGX2的引脚2通过电阻R1接GND，引脚3接GND，引脚1通过电阻R2接零漂移运放OPA2188的引脚3，通过保护二极管PESD12V接GND，所述零漂移运放OPA2188的引脚4接-12V电源、引脚8接+12V电源、引脚1和引脚2短路，并通过所述电阻网络接GND；

所述数控增益放大单元包括：双路四选一模拟开关ADG409、旋转编码开关K8421、电阻R7X、电阻R8X、电阻R9X和电阻R10X、零漂移运放OPA2188；所述旋转编码开关K8421能够实现0-15倍、步长为1的数字设定；双路四选一模拟开关ADG409的输入引脚与所述I/V变换单元中采样电阻网络的输出端连接，旋转编码开关K8421的引脚2和引脚5接+5V电源，旋转编码开关K8421的引脚1和引脚4分别连接双路四选一模拟开关ADG409的引脚A0和引脚A1，双路四选一模拟开关ADG409的引脚DA和引脚DB分别连接零漂移运放OPA2188的引脚3和引脚5，零漂移运放OPA2188的引脚8接+12V电源，零漂移运放OPA2188的引脚4接-12V电源，零漂移运放OPA2188的引脚1和引脚2短路，通过电阻R7接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S1A，通过电阻R8X、电阻R9X和电阻R10X构成的串联电阻网络连接零漂移运放OPA2188的引脚6和引脚7，同时接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S4A，电阻R9X和电阻R8X相连的一侧接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S2A，电阻R9X和电阻R10X相连的一侧接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S3A，双路四选一模拟开关ADG409的引脚DA与零漂移运放OPA2188的引脚5连接，双路四选一模拟开关ADG409的引脚A0与旋转编码开关K8421的引脚3相连，双路四选一模拟开关ADG409的引脚A0与旋转编码开关K8421的引脚6相连，零漂移运放OPA2188的引脚4接-12V电源，零漂移运放OPA2188的引脚8接+12V电源；零漂移运放OPA2188的引脚6和引脚7短路，作为数控增益放大单元的输出；

所述V/I变换单元包括：二极管BAV199、精密运放ADA4522-2、保险丝FUS、三极管PXT2222A、保护二极管PESD30V、输出端口15EDGX2、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16；电阻R11的一端接所述数控增益放大单元的输出，电阻R11的另一端接二极管BAV199的引脚3，BAV199的引脚1和引脚2短路，并通过电阻R13接GND；所述精密运放ADA4522-2的引脚2接BAV199的引脚2，精密运放ADA4522-2的引脚3接BAV199的引脚3，精密运放ADA4522-2的引脚4接-12V电源，精密运放ADA4522-2的引脚8接+24V电源，精密运放ADA4522-2的引脚5接输出端口15EDGX2的引脚1，并通过保护二极管PESD30V接GND和输出端口15EDGX2的引脚2，精密运放ADA4522-2的引脚6与引脚7短路，并通过电阻R12接精密运放ADA4522-2的引脚3，所述三极管PXT2222A的引脚1通过电阻R15接精密运放ADA4522-2的引脚1，三极管PXT2222A的引脚2通过保险丝FUS接+24V电源，三极管PXT2222A的引脚3通过电阻R14接二极管BAV199的引脚1，通过电阻R16接输出端口15EDGX2的引脚1。

有益效果：

第一、本实用新型一种数控精密电流放大器，采用纯逻辑电路设计，利用编码开关即可实现放大倍数的数字控制。

第二、本实用新型一种数控精密电流放大器，包括：I/V变换单元、数控增益放大单元和V/I变换单元，因此具有V/I变换的作用。

第三、本实用新型一种数控精密电流放大器，由于采用精密电阻网络和输入输出皆为零漂移的运放，因此能够实现数字增益的低温漂精确设定；由于通过两级确定阻值电阻反馈网络，因此不仅实现增益的定量调节，而且提高增益的准确度；本实用新型一种数控精密电流放大器最终能够达到的技术指标为：温漂小于2ppm，准确度为0.03%。

附图说明

图1是本实用新型一种数控精密电流放大器的整体结构示意图。

图2是图1中I/V变换单元的电路图。

图3是图1中数控增益放大单元的电路图。

图4是图1中V/I变换单元的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步详细介绍。

具体实施方式一

本实施方式下的数控精密电流放大器，整体结构示意图如图1所示，该数控精密电流放大器包括：I/V变换单元、数控增益放大单元和V/I变换单元；所述I/V变换单元由零漂移运放OPA2188构成的电压跟随器输出电压，再经过电阻网络输出不同电压，实现I/V变换；所述数控增益放大单元通过旋转编码开关选择所述I/V变换单元的输出电压，实现放大倍数的数字设定；所述V/I变换单元使用精密运放ADA4522-2降低漂移，再经过电阻R16实现16倍放大；

所述I/V变换单元的电路图如图2所示，包括：输入端口15EDGX2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6构成的电阻网络、保护二极管PESD12V和零漂移运放OPA2188；所述输入端口15EDGX2的引脚2通过电阻R1接GND，引脚3接GND，引脚1通过电阻R2接零漂移运放OPA2188的引脚3，通过保护二极管PESD12V接GND，所述零漂移运放OPA2188的引脚4接-12V电源、引脚8接+12V电源、引脚1和引脚2短路，并通过所述电阻网络接GND；

所述数控增益放大单元的电路图如图3所示，包括：双路四选一模拟开关ADG409、旋转编码开关K8421、电阻R7X、电阻R8X、电阻R9X和电阻R10X、零漂移运放OPA2188；所述旋转编码开关K8421能够实现0-15倍、步长为1的数字设定；双路四选一模拟开关ADG409的输入引脚与所述I/V变换单元中采样电阻网络的输出端连接，旋转编码开关K8421的引脚2和引脚5接+5V电源，旋转编码开关K8421的引脚1和引脚4分别连接双路四选一模拟开关ADG409的引脚A0和引脚A1，双路四选一模拟开关ADG409的引脚DA和引脚DB分别连接零漂移运放OPA2188的引脚3和引脚5，零漂移运放OPA2188的引脚8接+12V电源，零漂移运放OPA2188的引脚4接-12V电源，零漂移运放OPA2188的引脚1和引脚2短路，通过电阻R7接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S1A，通过电阻R8X、电阻R9X和电阻R10X构成的串联电阻网络连接零漂移运放OPA2188的引脚6和引脚7，同时接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S4A，电阻R9X和电阻R8X相连的一侧接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S2A，电阻R9X和电阻R10X相连的一侧接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S3A，双路四选一模拟开关ADG409的引脚DA与零漂移运放OPA2188的引脚5连接，双路四选一模拟开关ADG409的引脚A0与旋转编码开关K8421的引脚3相连，双路四选一模拟开关ADG409的引脚A0与旋转编码开关K8421的引脚6相连，零漂移运放OPA2188的引脚4接-12V电源，零漂移运放OPA2188的引脚8接+12V电源；零漂移运放OPA2188的引脚6和引脚7短路，作为数控增益放大单元的输出；

所述V/I变换单元的电路图如图4所示，包括：二极管BAV199、精密运放ADA4522-2、保险丝FUS、三极管PXT2222A、保护二极管PESD30V、输出端口15EDGX2、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16；电阻R11的一端接所述数控增益放大单元的输出，电阻R11的另一端接二极管BAV199的引脚3，BAV199的引脚1和引脚2短路，并通过电阻R13接GND；所述精密运放ADA4522-2的引脚2接BAV199的引脚2，精密运放ADA4522-2的引脚3接BAV199的引脚3，精密运放ADA4522-2的引脚4接-12V电源，精密运放ADA4522-2的引脚8接+24V电源，精密运放ADA4522-2的引脚5接输出端口15EDGX2的引脚1，并通过保护二极管PESD30V接GND和输出端口15EDGX2的引脚2，精密运放ADA4522-2的引脚6与引脚7短路，并通过电阻R12接精密运放ADA4522-2的引脚3，所述三极管PXT2222A的引脚1通过电阻R15接精密运放ADA4522-2的引脚1，三极管PXT2222A的引脚2通过保险丝FUS接+24V电源，三极管PXT2222A的引脚3通过电阻R14接二极管BAV199的引脚1，通过电阻R16接输出端口15EDGX2的引脚1。

具体实施方式二

本实施方式下的数控精密电流放大器，在具体实施方式一的基础上，对参数进行进一步限定，并介绍其工作原理，具体如下：

数控增益放大单元分两级，I/V变换单元的输出端连接一级数控增益放大单元的输入端一级数控增益放大单元的输出端连接二级数控增益放大单元输入端，二级数控增益放大单元输出端连接V/I变换单元输入端一级数控增益放大单元和二级数控增益放大单元的输入端都与旋转拨码开关的输出端相连；

I/V变换单元为精密运算放大器OPA2188，如图2所示；OPA2188运算放大器使用ti专利的自动调零技术，以提供最大25uV的低偏移电压，并随时间和温度的近零漂移；这种微型、高精度、低静态电流放大器提供高输入阻抗和轨对轨输出摆幅在15mV以内，输入共模范围包括负轨。可在+4.0 V至+36 V或±2 V至±18 V范围内使用单电源或双电源。

I/V变换单元可根据电阻网络R1不同的构成1倍、2倍、3倍或4倍放大，具体的焊接方式如下：1倍放大时，I/V变换单元需焊接16个同名义值电阻，电阻连接方式为4串4并；2倍放大时，I/V变换单元需焊接8个同名义值电阻，电阻连接方式为4串2并；3倍放大时，I/V变换单元需焊接6个同名义值电阻，电阻连接方式为2个电阻串联，另外4个电阻构成2串2并网络，接到一起；放大4倍时，I/V变换单元需焊接4个串联的同名义值电阻；电阻R3、R4、R5和R6可由精密电阻LT5400-1构成，可实现数字增益的低温漂精确设定，通过旋转拨码开关K8421的控制可实现X/4的放大倍数，X的取值范围是1、2、3或4。

若要降低成本，还可以把精密电阻网络LT5400-1用同名义值电阻网络来替代，每个电阻网络R3、R4、R5和R6可由四个阻值为3K的电阻串联组成，每2个电阻之间与开关的十五个输入引脚相连，可通过控制16位旋转拨码开关实现电流的0-15倍放大。

数控增益放大单元包括2个双路四选一模拟开关ADG409、旋转拨码开关K8421、精密电阻网络LT5400-1以及精密运算放大器OPA2188，如图3所示；ADG409是一块带有公共使能输入控制位的2路四选一模拟开关电路。每一个多路选择开关都有四个独立的输入/输出（X0到X3、Y0到Y3）、公共的输入/输出端（X和Y）和选择输入端（A和B）。公共使能输入控制位包括两个选择输入端A、B和一个低有效的使能输入端INH。每一路都包含了四个双向模拟开关，开关的一边连接到独立输入/输出（X0到X3、Y0到Y3），另一边连接到公共输入/输出端（X和Y）。当INH为低电平时，四个开关中的其中一个被A和B选通（低阻导通态）。当INH为高电平时，所有开关都处于高阻关断态，与A和B无关。K8421是16位旋转拨码开关，可以控制实现0-15倍的数字设定。OPA2188构成电压跟随器，在保证电压不变的情况下可使OPA2188的前后电路隔离开，让电路更加稳定。精密电阻网络LT5400-1的连接方式，通过旋转拨码开关K8421的控制可实现Y/4的放大倍数，Y的取值范围是1-4。通过I/V变换单元和数控增益放大单元可实现XY/16倍的放大，XY的取值为1-16。

在V/I变换单元中，ADA4522-2运算放大器是一个双通道、零漂移运算放大器。它具有-30V至+30V的宽工作电压范围和宽温度范围，保证了-5V到+24V的供电范围，它还有高开环增益和极低的直流和交流误差，使器件非常适合放大非常小的输入信号，对本电流放大器的精度提供了保障。本系统中使用PXT2222A三极管，PXT2222A具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。Q1可用8个相同参数的三极管并联，可以将功率分散，较少发热对三极管进行保护。这样在UA4A的引脚2和Q1的引脚2之间连接一个电流上限为300mA的保险丝FUS，可以操作失误的情况下达到对电路保护的目的。三极管Q1的引脚3接16个同名义值电阻构成的并联电阻网络，可实现输入电流的16倍放大，用16个电阻并联来替代一个等效电阻R16，这样可以减小温度对系统的影响，从而使精度可以更高。I/V变换单元，数控增益放大单元，V/I变换单元三部分连接到一起，即可使用旋转拨码开关的控制实现0-15的放大倍数。

在实际应用时，可以利用旋转拨码开关设置电流放大器的放大倍数，使用更便利，操作更简单。本实用新型可用在工业控制上，工业一般需要4-20mA的电流源，但有时需要超过20mA的电流，就可使用电流放大器来设置，不需要重新准备电流源，既节约了成本又提高了工作效率。本专利提出的电流源可数控且精密、温漂小，可作为激光器驱动器的控制开关。如图4所示，所涉及的电路单元可进行V/I转换；可用于高校仪器仪表专业的教学实验等。

同时，本实用新型采用精密电阻网络LT5400-1实现数字增益的低温漂精确设定，输出用多个三极管冗余保护，电路的I/V电阻输入网络和V/I输出电流网络均采用同名义值的低温漂电阻（千分之一），各用16个，电流可放大16倍，保证了附加温度误差可忽略不计（接近0.5ppm）。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种数控精密电流放大器，其特征在于，包括：I/V变换单元、数控增益放大单元和V/I变换单元；所述I/V变换单元由零漂移运放OPA2188构成的电压跟随器输出电压，再经过电阻网络输出不同电压，实现I/V变换；所述数控增益放大单元通过旋转编码开关选择所述I/V变换单元的输出电压，实现放大倍数的数字设定；所述V/I变换单元使用精密运放ADA4522-2降低漂移，再经过电阻R16实现16倍放大；

所述I/V变换单元包括：输入端口15EDGX2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6构成的电阻网络、保护二极管PESD12V和零漂移运放OPA2188；所述输入端口15EDGX2的引脚2通过电阻R1接GND，引脚3接GND，引脚1通过电阻R2接零漂移运放OPA2188的引脚3，通过保护二极管PESD12V接GND，所述零漂移运放OPA2188的引脚4接-12V电源、引脚8接+12V电源、引脚1和引脚2短路，并通过所述电阻网络接GND；

所述数控增益放大单元包括：双路四选一模拟开关ADG409、旋转编码开关K8421、电阻R7X、电阻R8X、电阻R9X和电阻R10X、零漂移运放OPA2188；所述旋转编码开关K8421能够实现0—15倍、步长为1的数字设定；双路四选一模拟开关ADG409的输入引脚与所述I/V变换单元中采样电阻网络的输出端连接，旋转编码开关K8421的引脚2和引脚5接+5V电源，旋转编码开关K8421的引脚1和引脚4分别连接双路四选一模拟开关ADG409的引脚A0和引脚A1，双路四选一模拟开关ADG409的引脚DA和引脚DB分别连接零漂移运放OPA2188的引脚3和引脚5，零漂移运放OPA2188的引脚8接+12V电源，零漂移运放OPA2188的引脚4接-12V电源，零漂移运放OPA2188的引脚1和引脚2短路，通过电阻R7接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S1A，通过电阻R8X、电阻R9X和电阻R10X构成的串联电阻网络连接零漂移运放OPA2188的引脚6和引脚7，同时接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S4A，电阻R9X和电阻R8X相连的一侧接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S2A，电阻R9X和电阻R10X相连的一侧接入双路四选一模拟开关ADG409的引脚S3A，双路四选一模拟开关ADG409的引脚DA与零漂移运放OPA2188的引脚5连接，双路四选一模拟开关ADG409的引脚A0与旋转编码开关K8421的引脚3相连，双路四选一模拟开关ADG409的引脚A0与旋转编码开关K8421的引脚6相连，零漂移运放OPA2188的引脚4接-12V电源，零漂移运放OPA2188的引脚8接+12V电源；零漂移运放OPA2188的引脚6和引脚7短路，作为数控增益放大单元的输出；

所述V/I变换单元包括：二极管BAV199、精密运放ADA4522-2、保险丝FUS、三极管PXT2222A、保护二极管PESD30V、输出端口15EDGX2、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16；电阻R11的一端接所述数控增益放大单元的输出，电阻R11的另一端接二极管BAV199的引脚3，BAV199的引脚1和引脚2短路，并通过电阻R13接GND；所述精密运放ADA4522-2的引脚2接BAV199的引脚2，精密运放ADA4522-2的引脚3接BAV199的引脚3，精密运放ADA4522-2的引脚4接-12V电源，精密运放ADA4522-2的引脚8接+24V电源，精密运放ADA4522-2的引脚5接输出端口15EDGX2的引脚1，并通过保护二极管PESD30V接GND和输出端口15EDGX2的引脚2，精密运放ADA4522-2的引脚6与引脚7短路，并通过电阻R12接精密运放ADA4522-2的引脚3，所述三极管PXT2222A的引脚1通过电阻R15接精密运放ADA4522-2的引脚1，三极管PXT2222A的引脚2通过保险丝FUS接+24V电源，三极管PXT2222A的引脚3通过电阻R14接二极管BAV199的引脚1，通过电阻R16接输出端口15EDGX2的引脚1。

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