专利名称：数控直流电流源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子信息行业电源技术领域，尤其涉及一种用数字信号输入来控制输出的数控直流电流源。
背景技术：
电压电流源是很多仪器设备研制的关键设计之一，电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度，电源在使用时会造成很多不良后果。普通直流稳压电源品种很多，但均存在以下问题:①输出电压或电流通过粗调(波段开关)及细调(电位器)来调节。这样，当输出电压或电流需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时(如1.01 1.02V或1.01 1.02mA)，困难就较大。另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响；②显示用机械电压，导致用户所需电压、电流难以准确掌控，在传统的设计方法中，若显示输出是对电压的量化值直接进行译码显示输出，其显示值为D/A变换的输入量，由于D/A变换与功率驱动电路弓丨入的误差，使得显示值与电源实际输出值之间可能出现较大的偏差。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。随着电子技术的深入发展，各种智能仪器及设备越来越多，涉及领域越来越广，对电源的要求也越来越高。电流源作为其中的一员，也有相应的要求。现在越来越多的产品都往数控方向发展，因为数控方式可以提供更灵活更精确的控制。目前数控直流电流源普遍采用压控方式，即首先产生控制电压，然后经V-1转换实现电流输出。由于控制电压产生方式、V-1转换方法以及电流控制方式不同，电流源在输出范围以及精度上存在较大差异。在需要较大电流的设备中，普遍采用场效应管，达林顿管等功率器件实现V-1转换，并且多采用开环控制方式，这类电流源的输出范围可以达到IA以上，但受功率器件精度以及控制方法的制约，其精度普遍低于1%。，并且只能实现正向电流的输出。在需要几十到几百毫安的电流设备中，一般采取由D/A提供电压再通过V/I转换实现恒流输出，再通过普通三极管，达林顿管放大输出，最后通过A/D来反馈输出的电流值，从而做到闭环控制使输出电流值精确和稳定，但这类电源结构复杂，也只能实现正向电流的输出。在小电流应用中，多直接采用电流输出型D/A转换器产生，虽然精度能够在uA级别，但由于D/A转换器的输出电流范围较小，所以该类电源的输出不会超过几个mA。
发明内容
(一 )要解决的技术问题为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种数控直流电流源，以利用数字输入来实现对输出电流的精确控制。( 二 )技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种数控直流电流源。该数控直流电流源包括:控制模块、转发模块、D/A转换模块和功率运放模块，其中:控制模块，用于产生第一数字信号Vinl,并将第一数字信号Vinl发送至转发模块；转发模块，与控制模块相连接，用于将第一数字信号Vinl转发至D/A转换模块；D/A转换模块，其输入端与转发模块相连接，用于将第一数字信号Vinl转换为模拟电压VIS ;功率运放模块，其第一输入端与D/A转换模块的第一输出端相连接，其输出端连接数控直流电流源的输出端，用于输出第一数字信号Vinl对应的输出电流I。。(三)有益效果本数控直流电流源采用由D/A提供电压再通过功率运放直接输出，从输出电流采样进行反馈控制，输出电流可从几微安到几安培，精度可达1%。，并且能实现双向电流输出。此外，本电源还具有过压保护功能和对输出电流和电压的测量显示功能。
图1是本发明实施例数控直流电压源连接关系的示意图；图2为本发明实施例数控直流电压源的电路示意图；图3为本发明实施例具有过流保护模块的数控直流电压源的示意图；图4是本发明实施例数控直流电流源连接关系的示意图；图5为本发明实施例数控直流电流源的电路示意图；图6为本发明实施例具有过压保护模块的数控直流电流源的示意图；图7是本发明实施例数控直流电源连接关系的示意图；图8为本发明实施例数控直流电源的电路示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。本发明提出了一种数控直流电压/电流源系统，电源的各项参数及操作均在PC机上的控制界面中进行设置，电源的控制芯片根据设置控制其它各部分电路协同工作，得到满足要求的电源。需要说明的是，本发明以PC机和可编程逻辑芯片FPGA为例，本领域的技术人员应当了解，其他的具有相同功能的装置或者模块也可以代替相应部件，此处不再详细说明。以下分三部分对本发明进行说明:电压源、电流源、可以实现电压源和电流源转换的混合电源。第一部分:数控直流电压源图1是本发明实施例数控直流电压源连接关系的示意图。如图1所示，PC机和FPGA通过PC机后的通讯端口相连，PC机上的控制软件将电源的预设参数经过处理后传给FPGA，FPGA将A/D转换模块测量到的输出电压值或电流值传给PC机。FPGA和D/A转换模块、电流档位选择模块、采样模块、测压/测流选择模块、A/D转换模块相连，实现对它们的控制和数据交互。D/A转换模块将FPGA送来的数字信号转换成模拟电压输出到功率运放模块和过流保护模块。电流档位选择模块实现输出电流的档位选择。采样模块实现对输出电压和输出电流的米样，并将输出电压米样信号送给功率运放模块实现恒定的电压输出；将输出电压和输出电流采样信号送给过流保护模块实现输出的限流；将输出电压和输出电流采样信号送给测压/测流选择模块，测压/测流选择模块将输出电压或输出电流的采样信号送给A/D转换模块实现输出电压或输出电流的测量。图2为本发明实施例数控直流电压源的电路示意图。电流档位选择模块中IV..Kn分别对应不同的电流档，每档的电流范围可由PC上的控制软件灵活设定。假设K1对应的电流范围为[-11, IJ，K2对应的电流范围为[_12，-11)和(I1, I2]，Kn对应的电流范围为[-1n，-1n-1)和(In+ IJ，其中 O < I1 < I2 <吣< Ilri < In。在任意时刻，Kr..Kn 中只有一个开关闭合，其中η的值可根据输出电流的范围而定。米样模块中G^..Gm分别对应不同的电压采样系数。假设G1对应的电压范围为[-V1, V1],电压采样系数为qi，G2对应的电压范围为[-V2，-V1)和(V1, V2]，电压采样系数为q2，Gm对应的电压范围为[_Vm，-Vm^1)和(Vm，VJ，电压采样系数为qm，其中O < V1 < V2 <吣< Vnri < Vm。在任意时刻，G^"Gm中只有一个开关闭合，其中m的值可根据输出电压的范围而定。测压/测流选择模块中，当电压源设置为测压时，开关J2的H、L导通，将输出电压的采样信号送给A/D转换模块；当电压源设置为测流时，开关J2的H、M导通，将输出电流的采样信号送给A/D转换模块。过流保护模块将输出电流限制在预设的限流范围内。如图2所示，本实施例数控直流电压源包括:控制模块、转发模块、D/A转换模块、功率运放模块和采样模块，其中:控制模块，用于产生第一数字信号Vinl，并将第一数字信号Vinl发送至转发模块；转发模块，与控制模块相连接，用于将第一数字信号Vinl转发至D/A转换模块；D/A转换模块，其输入端与转发模块相连接，用于将第一数字信号Vinl转换为模拟电压VIS ;功率运放模块，其第一输入端与D/A转换模块的第一输出端相连接，其输出端连接数控直流电压源的输出端，用于输出第一数字信号Vinl对应的输出电压\。本实施例中，数控直流电压源还包括:采样模块。控制模块，包括:存储单元、电路选择单元和计算单元；其中:存储单元，用于预存采样模块中m组电压采样电路的电压范围区间及其对应的电压采样系数；选择单元，用于根据预设的输出电压值Vfert所在的电压范围区间选择对应的I组电压采样电路，并将该电压采样电路的序号通过转发模块发送至采样模 块；计算单元，用于根据输出电压值Vfert和被选择的电压采样电路对应的电压采样系数Qi计算(-VttetXqi)，并根据D/A转换模块的转换关系将其转化为第一数字信号Vinl，m彡1(其中，(-VfertXqi)是一个浮点数，而D/A转换模块的输入是2进制码，因此在将浮点数的数值输入至D/A转换模块之前，需要根据对其进行转换，以适应D/A转换模块的要求)。采样模块，包括:电压采样单元和第一控制单元；其中:电压采样单元，其控制端与第一控制单元相连接，其输入端与数控直流电压源的负载相连接，其输出端与功率运放模块的第二输入端相连接，包括:并联的η组电压采样电路；第一控制单元，与转发模块相连接，用于根据电压采样电路的序号连通相应的电压采样电路，同时断开除该电压采样电路之外的电压采样电路。其中，采样模块，电压采样单元中每一组电压采样电路包括:运算子单元，用于实现数控直流电压源的输出电压％与该组电压采样电路对应的电压采样系数Cii的乘积运算；及开关子单元，与运算子单元串联，用于在第一控制单元的控制下，实现本组电压采样电路的连通与断开。对于电压采样单元中每一组电压采样电路G1:电压范围区间和电压采样系数的关系为电压范围区间乘以电压采样系数所得的电压范围区间要在D/A转换模块的工作电压范围区间内。至此，可以实现精确控制输出电压的作用。此外，为了实现对数控直流电压源输出电流的精确测量，如图2所示，本发明数控直流电压源还包括:电流档位选择模块。控制模块中:存储单元，还用于预存电流档位选择模块中并联的η组电流档位选择电路的电流范围区间；选择单元，还用于根据预设的输出限流值Ikt和存储单元中的电流范围区间选择对应的I组电流档位选择电路，并将该组电流档位选择电路的序号通过转发模块发送至电流档位选择模块。电流档位选择模块，位于功率运放模块和数控直流电压源的负载之间，包括:第二控制单元和档位选择单元，其中:档位选择单元，其控制端与第二控制单元相连接，其输入端与功率运放模块的输出端相连接，其输出端与数控直流电压源的负载相连接；包括:并联的η组电流档位选择电路，n ^ I ;第二控制单元，与转发模块相连接，用于控制将电流档位选择电路的序号对应的电流档位选择电路连通，将其他电流档位选择电路断开。本实施例中，电流档位选择模块，档位选择单元中每一组电流档位选择电路包括:采样电阻及开关子单元；开关子单元与采样电阻串联，用于在第二控制单元的控制下，实现本组电流档位选择电路的连通与断开。对于电流档位选择模块，档位选择单元中每一组电流档位选择电路&:电流范围区间、电阻和电流采样系数P的关系为电流范围区间乘以电阻再乘以电流采样系数所得的电压范围区间要在A/D转换模块的工作电压范围区间内。此外，对于一般的数控直流电压源，还需要PC机上显示其输出的电压值和输出电流值。如图2所示，本发明数控直流电压源还包括:测压/测流选择模块和A/D转换模块。测压/测流选择模块，其第一端口与所述电流采样单元的输出端口相连接，其第二端口与所述电压采样单元的输出端口相连接，其第三端口连接至所述A/D转换模块的输入端口 ；在测压模式下，将第二端口连接至第三端口，在测流模式下，将第一端口连接至第三端口。采样模块包括:电压采样单元和电流采样单元。电压采样单元，其输入端与电压源的负载相连接，其输出端与测压/测流选择模块的第二端口相连接，用于将采集到的输出电压信号Vfv发送至测压/测流选择模块，其中，Vfv = VtjXqi，其中Vtj为电压源输出电压，Qi为被选择的电压采样电路对应的电压采样系数。电流采样单元，其两输入端分别与电流档位选择电路的输入端和输出端相连接，其输出端与测压/测流选择模块的第一端口相连接，用于将采集到的输出电流信号Vfi发送至测压/测流选择模块，其中Vfi = 10XRjXp, Itj为电压源输出电流，Rj为被选择的电流档位区间对应的采样电阻，P为电流采样系数。A/D转换模块，其输入端与测压/测流选择模块的第三端口相连接，在测压模式下，用于将输出电压采样信号Vfv由模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号通过转发模块发送至控制模块，控制模块根据A/D转换模块的转换关系将其转换为浮点数，并将该电压测量值在PC机上进行显示；在测流模式下，用于将输出电流采样信号Vfi由模拟信号转换为数字电流信号，并将该数字电流信号通过转发模块发送至控制模块，控制模块根据A/D转换模块的转换关系将其转换为浮点数，并判断所测得的电流值是否在选定的电流区间内，并根据判断结果执行以下步骤:如果不是，且该电流区间不是最小级的电流档位区间，则将小一级的电流档位选择电路的序号通过转发模块发送至第二控制单元重新进行测量，如果是或该电流区间是最小级的电流档位区间，则将该电流测量值在PC机上进行显示。在电压源工作时，若控制模块不断使模数转换模块进行电压和电流的测量，则可实时监测电压源的输出电压和输出电流。至此，实现输出电压和输 出电流的测量及显示功能。
进一步的，对于本发明的数控直流电压源，还具有过流保护的功能。图3为本发明实施例具有过流保护功能的数控直流电压源的示意图。如图3所示，本发明数控直流电压源还包括:过流保护模块。控制模块中，计算单元，还用于计算(IktXRjXp)的值，并根据D/A转换模块的转换关系将其转化为第二数字信号Vin2,再通过转发模块发送至D/A转换模块，其中, 为被选择的电流档位区间的电阻值；D/A转换模块，用于将数字信号Vin2转换为模拟限流电压VIL，并从其第二输出端输出；过流保护模块,包括:第一运放单元和第二运放单元，其中，第一运放单元，其第一输入端通过第四电阻与D/A转换模块的第二输出端相连接，并通过第三电阻与电压采样单元的输出端相连接，其第二输入端通过第五电阻与电流采样单元的输出端相连接，其输出端通过第一二极管连接至D/A转换模块的第一输出端，并通过第九电阻与其第一输入端相连接；第二运放单元，其第一输入端通过第七电阻和反相器与D/A转换模块的第二输出端相连接，并通过第六电阻与电压采样单元的输出端相连接，其第二输入端通过第八电阻与电流采样单元相连接，其输出端通过第二二极管连接至D/A转换模块的第一输出端，并通过第十电阻与其第一输入端相连接。当电压源输出电流I。> ILset时，第一二极管导通，当I。<-|l&t|时，第二二极管导通，从而使输出电流满足-1I^tI <ι0< IIktI，将输出电流限定在预设的限流范围内。至此，实现过流保护的功能。至此，本发明数控直流电压源介绍完毕。本领域的技术人员应当了解，控制模块为PC机，转发模块为FPGA芯片；或控制模块包括:PC机和FPGA芯片的逻辑控制部分，转发模块为FPGA芯片的信号转发部分。以下用一具体的场景来对本发明数控直流电压源进行说明。若电压源预设输出电压值Vfeet e (V3，VJ，预设输出限流值ILset e (I3，I4]，则FPGA使电压采样单元中开关G4闭合，使电流档位选择模块中开关K4闭合。如图3所示，PC机将(-VfeetXq4)根据D/A转换模块的转换关系将其转化为第一数字信号vinl，并将Vinl送给FPGA，FPGA控制D/A转换模块将接收到的数字信号Vinl转换成模拟电压VIS。VIS通过第一电阻R1送至功率运放的第一输入端,输出电压米样信号(Vt)Xq4)通过第二电阻R2送至功 率运放的第一输入端，功率运放的第二输入端接地，其中R1 = R2,故有-VQsrtXq4+VQXq4 = 0，即V。= Vfert，从而使输出电压恒定为预设的输出电压。至此，实现了数控直流电压源的功能。PC机将(-1ktXR4Xp)根据D/A转换模块的转换关系将其转化为第二数字信号
Vin2,并将Vin2送给FPGA，FPGA控制D/A转换模块将接收到的数字信号Vin2转换成模拟限流
值VIL0假设二极管D” D2的 导通压降分别为VD1, Vd2,又有R3 = R4 = R5 = R6 = R7 = R8 =
R9 = R10,由图 3 可得:(V0-V01) X P- (V0Xq4) -VIL-Vdi < VIS < (V0-V01) X p- (V0Xq4) +VIL+VD2,
又 VIS = -V0setXq4 = -￥0父94，故-~比+￥1)2) < (V0-V01) Xp < VIL+VD1，又 V0-Vra = 10XR4,
ττ τ 、，…,,1LsetxR4 xP+Vm , JuetXR4XP+VdiVIL = ILsetXR4XP，故^<h <^^。若忽略二极管的导通压降，则有-1^t < I。< ILset,即将输出电流限定在预设的限流范围内。当进行电压测量时，测压/测流模块第二端口与第三端口相连接，将输出电压采样信号(VtjXq4)送至A/D转换模块，A/D转换模块将电压采样信号转换为数字信号发送至控制模块，控制模块根据A/D转换模块的转换关系将其转换为浮点数，若此浮点数为y4，控制模块计算电源输出电压匕=t，并将其显示在PC机上。由于预设输出电压Vttet e (V3,
tIA
V4],故电压测量是准确的。由于采用了电压采样单元，可以很大的电压范围(如几毫伏到几十伏特)内实现输出电压的精确测量。当进行电流测量时，测压/测流模块第一端口与第三端口相连接，将输出电流采样信号((VtrVw)Xp)送至A/D转换模块，A/D转换模块将电流采样信号转换为数字信号发送至控制模块，控制模块根据A/D转换模块的转换关系将其转换为浮点数，若此浮点数为
S4，又开关K4闭合有ItjXR4 = V<rVM，其中Itj为输出电流值，控制模块可算出&若
10e (I3, I4]，则测量结束，并将其显示在PC机上。若I。彡I3，则FPGA将从V" Kn中选择小一级的电流档位进行测量，即K3闭合，有ItjXR3 = V0-V01, A/D转换模块重新测量出输出
电流采样信号((H)Xp)的值，若结果为S3，可算出4=^^。若(12，13]，则测量
到此为止，控制模块将测量结果显示在PC机上，并使电流档位选择模块中的开关K3断开，K4闭合。若10< I2，则FPGA继续从IV..Kn中选择更小一级的电流档位来进行测量，直到最小电流档位区间为止。由于采用了电流档位选择电路，可以很大的电流范围(如几微安到几安培)内实现输出电流的精确测量。在电压源工作时，若控制模块不断使A/D转换模块进行电压和电流的测量，则可实时监测电压源的输出电压和输出电流。本数控直流电压源采用由D/A提供基准电压再通过功率运放模块输出，从输出电压采 样反馈至功率运放模块的输入端进行闭环控制，输出电压可达几十伏，精度可达1%。，无需输出极性换向电路就能实现双向电压输出。此外，本电源还具有过流保护功能和对输出电压和电流的测量显示功能。第二部分:数控直流电流源图4是本发明实施例数控直流电流源连接关系的示意图。如图4所示，PC机和FPGA通过PC机后的通讯端口相连，PC机上的控制软件将电流源的预设参数经过处理后传给FPGA，FPGA将A/D转换模块测量到的输出电压值或电流值传给PC机。FPGA和D/A转换模块、电流档位选择模块、采样模块、测压/测流选择模块、A/D转换模块相连，实现对它们的控制和数据交互。D/A转换模块将FPGA送来的数字信号转换成模拟电压输出到功率运放模块和过压保护模块。电流档位选择模块实现输出电流的档位选择。采样模块实现对输出电压和输出电流的采样，并将输出电流采样信号送给功率运放模块实现恒定的电流输出；将输出电压和输出电流米样信号送给过压保护电路实现输出的限压；将输出电压和输出电流采样信号送给测压/测流选择模块，测压/测流选择模块将输出电压或输出电流的采样信号送给A/D转换模块实现输出电压或输出电流的测量。图5为本发明实施例数控直流电流源的电路示意图。电流档位选择模块中IV..Kn分别对应不同的电流档，每档的电流范围可由PC上的控制软件灵活设定。假设K1对应的电流范围为[-11, IJ，K2对应的电流范围为[_12，-11)和(I1, I2]，Kn对应的电流范围为[-1n，-1n-1)和(In+ IJ，其中 O < I1 < I2 <吣< Ilri < In。在任意时刻，Kr..Kn 中只有一个开关闭合，其中η的值可根据输出电流的范围而定。米样模块中G^..Gm分别对应不同的电压采样系数。假设G1对应的电压范围为[-V1, V1],电压采样系数为qi，G2对应的电压范围为[-V2，-V1)和(V1, V2]，电压采样系数为q2，Gm对应的电压范围为[_Vm，-Vm^1)和(Vm，VJ，电压采样系数为qm，其中O < V1 < V2 <吣< Vnri < Vm。在任意时刻，G^"Gm中只有一个开关闭合，其中m的值可根据输出电压的范围而定。测压/测流选择模块中，当电流源设置为测压时，开关J2的H、L导通，将输出电压的采样信号送给A/D转换模块；当电流源设置为测流时，开关J2的H、M导通，将输出电流的采样信号送给A/D转换模块。过压保护电路将输出电压限制在预设的限压范围内。如图5所示，本实施例数控直流电流源包括:控制模块、转发模块、D/A转换模块、功率运放模块和采样模块。其中:控制模块，用于产生第一数字信号Vinl，并将第一数字信号Vinl发送至转发模块；转发模块，与控制模块相连接，用于将第一数字信号Vinl转发至D/A转换模块；D/A转换模块，其输入端与转发模块相连接，用于将第一数字信号Vinl转换模拟电压VIS ;功率运放模块，其第一输入端与D/A转换模块的第一输出端相连接，其输出端连接数控直流电流源的输出端，用于输出第一数字信号Vinl对应的输出电流Ιο。本实施例中，数控直流电流源还包括:电流档位选择模块和采样模块。控制模块，包括:存储单元、电路选择单元和计算单元。其中:存储单元，用于预存电流档位选择模块中并联的η组电流档位选择电路的电流范围区间和相应电阻值；选择单元，用于根据预设输出电流值Ifert和存储单元中的电流范围区间选择对应的I组电流档位选择电路，并将该组电流档位选择电路的序号通过转发模块发送至电流档位选择模块；计算单元，用于根据输出电压值Ifert和被选择的电压采样模块对应的电阻值&计算(-1fcrt X RjXP)，并根据D/A的转换关系将其转化为数字信号Vinl，n > 1，P为采样模块中电流采样单元的电流采样系数(其中，(-10setXRjXp)是一个浮点数，而D/A转换模块的输入是2进制码，因此在将浮点数的数值输入至D/A转换模块之前，需要根据对其进行转换，以适应D/A转换模块的要求)。电流档位选择模块，位于功率运放模块和数控直流电流源的负载之间，包括:第二控制单元和档位选择单元，其中:档位选择单元，其控制端与第二控制单元相连接，其输入端与功率运放模块的输出端相连接，其输出端与数控直流电流源的负载相连接；包括:并联的η组电流档位选择电路；第二控制单元，与转发模块相连接，用于将电流档位选择电路的序号对应的电流档位选择电路连通，将其他电流档位选择电路断开。采样模块包括:电流采样单元；电流采样单元，其两输入端分别与电流档位选择电路的输入端和输出端相连接，其输出端与功率运放模块的第二输入端相连接，用于将采集到的电流信号Vfi发送至功率运放模块的第二输入端，其中Vfi = (V0-V01) Xp, Vtj和Vra分别为电流档位选择电路的输入端和输出端的电压，P为电流采样系数。本实施例中，电流档位选择模块，档位选择单元中每一组电流档位选择电路包括:采样电阻及开关子单元；开关子单元与采样电阻串联，用于在第二控制单元的控制下，实现本组电流档位选择电路的连通与断开。其中，对于电流档位选择模块，档位选择单元中每一组电流档位选择电路1:电流范围区间、电阻、电流采样系数的关系为电流范围区间乘以电阻再乘以电流采样系数所得的电压范围区间要在D/A转换模块的工作电压范围区间内。至此，以实现精确控制输出电流的作用。此外，如图5所示，本发明数控直流电流源还包括:采样模块和电压采样单元。控制模块，包括:存储单元、 电路选择单元和计算单元；其中:存储单元，用于预存采样模块中m组电压采样模块的电压范围区间及其对应的电压采样系数；选择单元，用于根据预设的输出限压值所在的电压范围区间选择对应的I组电压采样模块，并将该电压采样模块的序号通过转发模块发送至采样模块。采样模块，包括:电压采样单元和第一控制单元；其中:电压采样单元，其控制端与第一控制单元相连接，其输入端与数控直流电流源的输出端相连接，其输出端与测压/测流模块的第二端口相连接，包括并联的m组电压采样模块；第一控制单元，与转发模块相连接，用于根据电压采样模块的序号连通相应的电压采样模块，同时断开除该电压采样模块之外的电压采样模块。本实施例中，电压采样单元中每一组电压采样模块包括:运算子单元，用于实现数控直流电流源的输出电压％与该组电压采样模块对应的电压采样系数的乘积运算；及开关子单元，与运算子单元串联，用于在第一控制单元的控制下，实现本组电压采样模块的连通与断开。对于电压采样单元中每一组电压采样模块G1:电压范围区间和电压采样系数的关系为电压范围区间乘以电压采样系数所得的电压范围区间要在A/D转换模块的工作电压范围区间内。此外，对于一般的数控直流电流源，还需要PC机上显示其输出的电压值和输出电流值。如图5所示，本发明数控直流电流源还包括:测压/测流选择模块和A/D转换模块。测压/测流选择模块，其第一端口与所述电流采样单元的输出端口相连接，其第二端口与所述电压采样单元的输出端口相连接，其第三端口连接至所述A/D转换模块的输入端口 ；在测压模式下，将第二端口连接至第三端口，在测流模式下，将第一端口连接至第三端口。采样模块包括:电压采样单元和电流采样单元。电压采样单元，其输入端与电流源的负载相连接，其输出端与测压/测流选择模块的第二端口相连接，用于将采集到的输出电压信号Vfv发送至测压/测流选择模块，其中，Vfv = VtjXqi，其中Vtj为电流源输出电压，Qi为被选择的电压采样模块对应的电压采样系数。电流采样单元，其两输入端分别与电流档位选择电路的输入端和输出端相连接，其输出端与测压/测流选择模块的第一端口相连接，用于将采集到的输出电流信号Vfi发送至测压/测流选择模块，其中Vfi = 10XRjXp, Itj为电流源输出电流，Rj为被选择的电流档位区间对应的采样电阻，P为电流采样系数。A/D转换模块，其输入端与测压/测流选择模块的第三端口相连接，在测流模式下，用于将输出电流采样信号Vfi由模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号通过转发模块发送至控制模块，控制模块根据A/D转换模块的转换关系将其转换为浮点数，并将该电流测量值在PC机上进行显示；在测压模式下，用于将输出电压采样信号Vfv由模拟信号转换为数字电压信号，并将该数字电压信号通过转发模块发送至控制模块，控制模块根据A/D转换模块的转换关系将其转换为浮点数，并判断所测得的电压值是否在选定的电压范围区间内，并根据判断结果执行以下步骤:如果不是，且该电压范围区间不是最小级的电压范围区间，则将小一级的电压范围区间的序号通过转发模块发送至第一控制单元重新进行测量，如果是或该电压范围区间是最小级的电压范围区间，则将该电压测量值在PC机上进行显示。在电流源工作时，若控制模块不断使模数转换模块进行电压和电流的测量，则可实时监测电流源的输出电压和输出电流。至此，实现对输出电压和输出电流的测量及显示功能。由于采用了电压采样单元，可以很大的电压范围(如几毫伏到几十伏特)内实现输出电压的精确测量。同时，由于采用了电流档位选择电路，可以很大的电流范围(如几微安到几安培)内实现输出电流的精确测量。
进一步的，对于本发明的数控直流电流源，还具有过压保护的功能。图6为本发明实施例具有过压保护模块的数控直流电流源的电路示意图。如图6所示，本发明数控直流电流源还包括:过压保护模块。控制模块中，计算单元，还用于计算(VktXqi)的值，并根据D/A转换模块的转换关系将其转化为第二数字信号Vin2，再通过转发模块发送至D/A转换模块，其中， 为被选择的电压范围区间对应的电压采样系数；D/A转换模块，用于将第二数字信号Vin2转换为模拟限压值VIL，并从其第二输出端输出；过压保护模块，包括:第一运放单元和第二运放单元，其中，第一运放单元，其第一输入端通过第四电阻与D/A转换模块的第二输出端相连接，并通过第三电阻与电流采样单元的输出端相连接，其第二输入端通过第五电阻与电压采样单元的输出端相连接，其输出端通过第一二极管连接至D/A转换模块的第一输出端，并通过第九电阻与其第一输入端相连接；第二运放单元，其第一输入端通过第七电阻和反相器与D/A转换模块的第二输出端相连接，并通过第六电阻与电流采样单元的输出端相连接，其第二输入端通过第八电阻与电压采样单元相连接，其输出端通过第二二极管连接至D/A转换模块的第一输出端，并通过第十电阻与其第一输入端相连接。当电流源输出电压V。> VLset时，第一二极管导通，当V。<-U时，第二二极管导通，从而使输出电流满足-1U <v0< IU，将输出电压限定在预设的限压范围内。至此，实现过压保护的功能。
至此，本发明数控直流电流源介绍完毕。本领域的技术人员应当了解，控制模块为PC机，转发模块为FPGA芯片；或控制模块包括:PC机和FPGA芯片的逻辑控制部分，转发模块为FPGA芯片的信号转发部分。以下用一具体的场景来对本发明数控直流电流源进行说明。如图6所不，若电流源的预设输出电流值Ift3et e (I5, I6],预设输出限压值VLset e (V4, V5]时，则FPGA使电流档位选择模块中开关K6闭合，使电压采样模块中开关G5闭合。如图6所示，PC机将(-1feetXR6Xp)根据D/A转换模块的转换关系转化为第一数字信号vinl，并将Vinl送给FPGA，FPGA控制D/A转换模块将接收到的数字信号Vinl转换成模拟电压VIS。VIS通过第一电阻R1送至功率运放的第一输入端，输出电流米样信号((V0-V01) Xp)通过第二电阻R2送至功率运放的第一输入端，功率运放的第二输入端接地，其中 R1 = R2，故有-1QsetXR6Xp+(Vq-Vm) Xp = O，又开关 K6 闭合有 VtrVra = 10XR6,即 10 =1set^从而使输出电流恒定为预设的输出电流。至此，实现了数控直流电流源的功能。PC机将(V^tXq5)根据D/A转换模块的转换关系将其转化为第二数字信号Vin2，并将Vin2送给FPGA，FPGA控制D/A转换模块将接收到的数字信号Vin2转换成模拟限流值VIL0假设二极管D1' D2的导通压降分别为VD1、Vd2,又有R3 = R4 = R5 = R6 = R7 = R8 = R9=Rltl,由图 6 可得=V0Xq5-(V0-V01) Xp-VIL-Vm < VIS < V0Xq5-(V0-V01) Xp+VIL+VD2，又 VIS=-10set XR6Xp = -10XR6Xp = -(V0-V01) Xp，故-(VIL+VD2) < V0Xq5 < VIL+VD1，又 VIL =
VLset X q5，故
权利要求
1.一种数控直流电流源，其特征在于，包括:控制模块、转发模块、D/A转换模块和功率运放模块，其中: 控制模块，用于产生第一数字信号Vinl，并将所述第一数字信号Vinl发送至所述转发模块； 转发模块，与所述控制模块相连接，用于将所述第一数字信号Vinl转发至D/A转换模块； D/A转换模块，其输入端与所述转发模块相连接，用于将所述第一数字信号Vinl转换为模拟电压VIS ； 功率运放模块，其第一输入端与所述D/A转换模块的第一输出端相连接，其输出端连接所述数控直流电流源的输出端，用于输出所述第一数字信号Vinl对应的输出电流
2.根据权利要求1所述的数控直流电流源，其特征在于，还包括:电流档位选择模块，位于所述功率运放模块和所述数控直流电流源的负载之间； 所述控制模块，包括:存储单元、电路选择单元和计算单元，其中: 所述存储单元，用于预存所述电流档位选择模块中并联的η组电流档位选择电路的电流范围区间和相应电阻值，所述η≥I ； 所述选择单元，用于根据预设输出电流值Ifert和所述存储单元中的电流范围区间选择对应的I组电流档位选择电路，并将该组电流档位选择电路的序号通过转发模块发送至所述电流档位选择模块； 所述计算单元，用于计算(-1fcrt X & X P)，其中，所述P为采样模块中电流采样单元的电流采样系数，所述&为被选择的电流档位选择电路对应的电阻值，并将其转化为第一数字信号Vinl后通过转发模块发送至D/A转换模块，所述KjSn; 所述电流档位选择模块包括:第二控制单元和档位选择单元，其中: 所述档位选择单元，其控制端与所述第二控制单元相连接，其输入端与所述功率运放模块的输出端相连接，其输出端与所述数控直流电流源的负载相连接，包括:并联的η组电流档位选择电路； 第二控制单元，与所述转发模块相连接，用于将电流档位选择电路的序号对应的电流档位选择电路连通，将其他电流档位选择电路断开。
3.根据权利要求2所述的数控直流电流源，其特征在于，还包括:采样模块，其两输入端与所述电流档位选择模块的输入端和输出端相连接，其输出端连接至功率运放模块； 所述采样模块包括:电流采样单元； 所述电流采样单元，其两输入端分别与所述电流档位选择模块的输入端和输出端相连接，其输出端与所述功率运放模块的第二输入端相连接，用于将采集到的输出电流信号Vfi发送至所述功率运放模块的第二输入端，其中Vfi = (V0-V01) Xp, Vtj和Vtjl分别为电流档位选择模块的输入端和输出端的电压。
4.根据权利要求3所述的数控直流电流源，其特征在于，所述电流档位选择模块，所述档位选择单元中每一组电流档位选择电路包括: 采样电阻；及 开关子单元，与所述采样电阻串联，用于在所述第二控制单元的控制下，实现本组电流档位选择电路的连通与断开。
5.根据权利要求4所述的数控直流电流源，其特征在于，对于每一组电流档位选择电路I，所述电流范围区间、所述电阻、电流采样系数的关系为: 所述电流范围区间乘以电阻再乘以电流采样系数所得的电压范围区间要在D/A转换模块的工作电压范围区间内。
6.根据权利要求5所述的数控直流电流源，其特征在于， 所述控制模块中: 所述存储单元，还用于预存所述电压采样单元的m组电压采样电路的电压范围区间及其对应的电压采样系数，所述m > I ； 所述选择单元，还用于根据预设的输出限压值所在的电压范围区间选择对应的I组电压采样电路，并将该电压采样电路的序号通过所述转发模块发送至所述采样模块； 所述采样模块，通过转发模块与所述控制模块相连接，包括:电压采样单元和第一控制单元；其中: 所述电压采样单元，其控制端与所述第一控制单元相连接，其输入端与所述数控直流电流源的负载相连接，其输出端与所述测压/测流选择模块的第二端口相连接； 所述第一控制单元，与所述转发模块相连接，用于根据所述电压采样电路的序号连通相应的电压采样电路，同时断开除该电压采样电路之外的电压采样电路。
7.根据权利要求6所述的数控直流电流源，其特征在于，所述采样模块，所述电压采样单元中每一组电压采样电路Gi包括: 运算子单元，用于实 现数控直流电流源的输出限压值V^t与该组电压采样电路对应的电压采样系数Qi的乘积运算；及 开关子单元，与所述运算子单元串联，用于在所述第一控制单元的控制下，实现本组电压采样电路的连通与断开。
8.根据权利要求7所述的数控直流电流源，其特征在于，对于所述每一组电压采样电路Gi，所述电压范围区间和电压采样系数的关系为:电压范围区间乘以电压采样系数所得的电压范围区间要在A/D转换模块的工作电压范围区间内。
9.根据权利要求8所述的数控直流电流源，其特征在于，还包括:A/D转换模块，其输入端口与所述电压采样单元的输出端口相连接； 所述A/D转换模块，用于将输入的模拟信号转换为数字信号，并将此数字信号通过转发模块发送至所述控制模块； 所述控制模块，用于根据A/D转换模块的转换关系将从A/D转换模块返回的数字电压信号转换为浮点数，并判断测量值是否在选定的电压范围区间内，且根据判断结果执行以下步骤:如果不是，且该电压范围区间不是最小级的电压范围区间，则将小一级的电压范围选择电路的序号通过转发模块发送至第一控制单元重新进行测量，如果是或该电压范围区间是最小级的电压范围区间，则将该测量结果进行显示。
10.根据权利要求8所述的数控直流电压源，其特征在于，还包括:A/D转换模块，其输入端口与所述电流采样单元的输出端口相连接； 所述A/D转换模块，用于将输入的模拟信号转换为数字信号，并将此数字信号通过转发模块发送至所述控制模块； 所述控制模块，用于根据A/D转换模块的转换关系将从A/D转换模块返回的数字电流信号转换为浮点数，并将该测量结果进行显示。
11.根据权利要求9或10所述的数控直流电流源，其特征在于， 对于所述每一组电压采样电路Gi，所述电压范围区间和电压采样系数的关系为:电压范围区间乘以电压采样系数所得的电压范围区间要在A/D转换模块的工作电压范围区间内； 对于所述每一组电流档位选择电路I，所述电流范围区间、电阻和电流采样系数的关系为电流范围区间乘以电阻再乘以电流采样系数所得的电压范围区间要在A/D转换模块的工作电压范围区间内。
12.根据权利要求11所述的数控直流电流源，其特征在于，还包括:过压保护模块，与所述采样模块、功率运放模块和D/A转换模块相连接； 所述控制模块中，所述计算单元，还用于计算(V^tXqi)的值，并根据D/A转换模块的转换关系将其转化为第二数字信号Vin2，再通过转发模块发送至D/A转换模块，其中，Qi为被选择的电压米样模块对应的电压米样系数； 所述D/A转换模块，还用于将所述第二数字信号Vin2转换为模拟限压VIL，并从其第二输出端输出； 所述过压保护模块，包括:第一运放单 元和第二运放单元，其中，第一运放单元，其第一输入端通过第四电阻与D/A转换模块的第二输出端相连接，并通过第三电阻与所述电流采样单元的输出端相连接，其第二输入端通过第五电阻与电压采样单元的输出端相连接，其输出端通过第一二极管连接至所述D/A转换模块的第一输出端，并通过第九电阻与其第一输入端相连接；第二运放单元，其第一输入端通过第七电阻和反相器与D/A转换模块的第二输出端相连接，并通过第六电阻与所述电流采样单元的输出端相连接，其第二输入端通过第八电阻与电压采样单元相连接，其输出端通过第二二极管连接至所述D/A转换模块的第一输出端，并通过第十电阻与其第一输入端相连接。
13.根据权利要求1至10、12中任一项所述的数控直流电流源，其特征在于， 所述控制模块为PC机，所述转发模块为FPGA芯片；或 所述控制模块包括:PC机和FPGA芯片的逻辑控制部分，所述转发模块为所述FPGA芯片的信号转发部分。
全文摘要
本发明公开了一种数控直流电流源。本数控直流电流源采用由D/A提供电压再通过功率运放直接输出，从输出电流采样进行反馈控制，输出电流可从几微安到几安培，精度可达1‰，并且能实现双向电流输出。此外，本电源还具有过压保护功能和对输出电流和电压的测量显示功能。
文档编号G05F1/46GK103218000SQ201210018619
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者徐春雨, 杨海钢, 胡凯, 曾宪理, 王德利 申请人:中国科学院电子学研究所