压控恒流源驱动电路的片上系统及利用其提高精度的方法与流程

本发明属于高精度压控恒流源驱动电路技术领域，具体涉及一种压控恒流源驱动电路的片上系统，本发明还涉及利用该压控恒流源驱动电路的片上系统提高压控恒流源驱动电路局部精度的方法。

背景技术：

随着人们生活水平的提高以及科学技术的不断发展，高精度器件在工业、军事、医疗等各个领域都有着举足轻重的地位。目前高精度的恒流源驱动电路也是人们研究的热点。从现有技术看来应用比较广泛的恒流源主要包括两种形式：脉冲调宽式恒流源和压控恒流源。脉冲调宽式恒流源通过控制调整器的工作脉冲宽度从而达到恒定电流输出的目的，这种方式效率较高，但纹波电流大、电流输出精度低、辐射干扰强；压控恒流通过调整电压-电流转换电路的控制电压，达到控制电流的目的，此种方式具有精度高、纹波小、失真小等特点，但输出范围较小，适用于高精度场合。

压控恒流源的基本原理是通过微控制器控制dac从而控制输出电压，再将电压通过电压-电流电路转换为电流，从而达到通过控制电压来控制电流的目的。虽然压控恒流源驱动电路具有高精度的特点，但现有压控恒流源驱动电路的实现方式主要为pcb板级电路，通过将单片机、电压-电转换电路模块与三极管、功率场效应管以及电阻、电容等电子元器件在pcb板上进行焊接，从而获得输出驱动电流。同时现有恒流源驱动电路主要由单片机作为整个驱动系统的中控单元，通过其内部dac控制驱动电路从而输出范围大小可调的驱动电流。但是单片机内部dac精度有限，为了达到高精度的要求一般会使用高精度的dac模块，但是高精度的dac模块在pcb板上与其他模块进行连接后仍易受到外界连线，噪声等非理想因素的干扰，导致输出驱动电流精度无法达到更高的要求。同时pcb电路所用面积大，可移植性低，无法满足电路集成化的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种压控恒流源驱动电路的片上系统，能够使输出驱动电流精度在局部得到提高。

本发明还提供了利用该压控恒流源驱动电路的片上系统提高压控恒流源驱动电路局部精度的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是：压控恒流源驱动电路的片上系统，包括数字控制单元，数字控制单元分别与dac模块，电阻阵列和电流阵列相连接，dac模块分别与偏置电路模块和电压-电流转换电路模块相连接，电压-电流转换电路模块还分别与电流阵列输出端和电阻阵列相连接。

本发明所采用的第二种技术方案是：

压控恒流源驱动电路的片上系统提高压控恒流源驱动电路局部精度的方法，包括以下步骤，

步骤1：向数字控制单元输入目标输出驱动电流数字量；

步骤2：数字控制单元对步骤1中的数字量进行判断计算，得出分段数字量；

步骤3：将步骤2中的分段数字量输入系统中对应的模块，完成系统目标输出的驱动电流。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

步骤1具体包括：

步骤1.1：将目标输出驱动电流起始数字量d'0和终止数字量d'1送入数字控制单元；

步骤1.2：数字控制单元根据步骤1.1中的d'0和d'1计算目标输出驱动电流起始值i'0，目标输出驱动电流终止值i'1，其计算公式为：

进而计算目标输出驱动电流范围i1，i1＝(i'1-i'0)

公式(1)和公式(2)中，z为系统分辨率值，大小为电流阵列的分辨率值m与dac模块的分辨率值之和；i0为系统输出驱动电流幅值范围，通过以下公式得出：

i0＝(i1-i0)(3)

公式(3)中，i1为系统输出驱动电流最大值，i0为系统输出驱动电流最小值，其值为0。

步骤2具体包括：

步骤2.1：当步骤1.2中得到的i1值小于等于i×2^(n-1)时，对目标输出驱动电流所在区域进行判断，其中i为系统输出驱动电流精度，通过以下公式得出

步骤2.2：根据对步骤2.1中的目标输出驱动电流判断结果来分别计算电阻阵列的电阻放大倍数q，电流阵列的电流补偿份数p，dac模块的dac起始数字量。

步骤2.2具体包括：

当目标输出驱动电流起始值为系统输出驱动电流最小值即0时，电阻阵列的电阻放大倍数q为：

电流阵列的电流补偿份数p为0，dac模块的dac起始数字量为0，公式(5)中m为电阻阵列的分辨率值，大小与电流阵列的分辨率值相等；

当目标输出驱动电流终止值为系统输出驱动电流最大值即i1时，电阻阵列的电阻放大倍数q的计算方式为公式(5)，电流阵列的电流补偿份数p为：

dac模块的dac起始数字量为：

公式(7)中k为dac模块的扫描步数，步长值为1；

当目标输出驱动电流值的端点值不在系统输出驱动电流值端点处时，电阻阵列的电阻放大倍数q的计算方式为公式(5)，电流阵列的电流补偿份数p的计算方式为公式(6)，dac模块的dac起始数字量为：

步骤3具体包括：分别将步骤2.2中计算所得电阻阵列的电阻放大倍数q输入电阻阵列，电流阵列的电流补偿份数p输入电流阵列，dac模块的dac起始数字量输入dac模块，完成系统目标输出分辨率值为m+n的驱动电流。

本发明的有益效果是：本发明压控恒流源驱动电路的片上系统，通过m-bit的电流补偿阵列对目标输出驱动电流进行高m-bit处理，n-bit的dac对目标输出驱动电流进行低n-bit处理，将目标输出驱动电流精度进行分段处理，最终恒流源驱动电路的输出驱动电流在目标范围达到(m+n)-bit的精度要求，使输出驱动电流精度在局部得到提高；本发明所采用的集成电路较之现有的pcb电路，将原有的板级模块集成到一个芯片当中，从而实现更高的集成度，同时较之传统直接使用高精度dac电路模块来实现恒流源驱动电路高精度的要求，本发明可以采用较低精度的dac电路配合以电流补偿电路来实现恒流源驱动电路的高精度需求，在相同精度的情况下，电路功耗，面积都得到很大的改善，并且集成电路较pcb电路具有可移植性，可以方便于应用到各类检测传感器中，实现高精度，高集成度等指标。

附图说明

图1是本发明压控恒流源驱动电路的片上系统的结构示意图；

图2是本发明压控恒流源驱动电路的片上系统中电压-电流转换电路模块的结构示意图；

图3是本发明压控恒流源驱动电路的片上系统中提高电流精度原理图；

图4是本发明压控恒流源驱动电路的片上系统中m-bit电阻阵列的结构示意图；

图5是本发明压控恒流源驱动电路的片上系统中m-bit电流阵列的结构示意图。

图中，1.数字控制单元，2.偏置电路模块，3.dac模块，4.电阻阵列，5.电压-电流转换电路模块，6.电流阵列。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明压控恒流源驱动电路的片上系统，如图1所示，包括数字控制单元1，偏置电路模块2，dac模块3，电阻阵列4，电压-电流转换电路模块5，电流阵列6。其中dac模块3的分辨率值大小为n，电阻阵列4的分辨率值大小为m，电流阵列6的分辨率值大小为m。

其中数字控制单元1与dac模块3、电阻阵列4和电流阵列6相连接，将dac扫描步数k通过n-bit数字控制线控制dac模块3，同时将电阻放大倍数q通过m-bit数字控制线控制电阻阵列4开关，并且将补偿电流份数p通过m-bit数字控制线控制电流阵列6开关。偏置电路模块2与dac模块3连接，为dac模块3提供基准电流，dac模块3与电压-电流转换电路模块5相连接，通过dac输出电压控制电压-电流转换电路模块5，电压-电流转换电路模块5通过电阻阵列4输出电流，并且与电流阵列6输出端相连接，最终输出目标输出电流。

上述系统提高压控恒流源驱动电路局部精度的方法：

首先将代表目标输出驱动电流范围的z-bit分辨率的数字量输入到图1中的数字控制单元1，其中z-bit为系统要求分辨率，其值大小为(m+n)-bit。

其次数字控制单元1对目标输出驱动电流范围在系统输出驱动电流范围中进行判断：因为图2中电压-电流转换电路模块5输出驱动电流iout的大小其输入端电压与输出端电阻r1的比值成比例变化，同时电压-电流转换电路模块5输入端电压与dac模块3的输出端电阻成比例变化，因此iout也和dac模块3输出端电阻r2和电流源输出端电阻r1的比值成比例变化；所以当输入电压范围一定的情况下，通过成比例改变r1与r2的电阻值，即可获得成比例减小的输出驱动电流步长值，从而提高局部输出驱动电流精度，该结果如图3中虚线所代表的由于电阻成比例变化后在相同输入电压与扫描步数的情况下，电流的斜率发生变化，使得局部电流精度得以提高，r1与r2可以由图4所示的电阻阵列4构成，通过数字控制量将不同个数的电阻接入电路从而实现比例变化，但图3中由于电流斜率变化会造成起始输入电压所对应的输出电流值也发生变化，其值与目标电流值不同，需要有补偿电流if对起始电流值进行补偿，如图2中在a点输入补偿电流，使输出驱动电流满足系统目标输出范围，其结果如图3中斜率变化后斜实线，if补偿电流可以由图5所示的电流阵列6实现。之后数字控制单元1根据目标输出驱动电流范围大小和目标输出驱动电流范围位置分析计算出电阻阵列4、电流阵列6、以及dac模块3所需要的数字量。

最后数字控制单元1将这些数字量送入系统中与之对应模块的控制端，系统输出驱动激光器电流可以在目标区间内实现(m+n)-bit的精度要求。具体按照以下步骤实施：

步骤1：向数字控制单元1输入目标输出驱动电流数字量，具体包括：

步骤1.1：将目标输出驱动电流起始数字量d'0和终止数字量d'1送入数字控制单元1；

步骤1.2：数字控制单元1根据步骤1.1中的d'0和d'1计算目标输出驱动电流起始值i'0，目标输出驱动电流终止值i'1，其计算公式为：

进而计算目标输出驱动电流范围i1，i1＝(i'1-i'0)

公式(1)和公式(2)中，z为系统分辨率值，大小为电流阵列6的分辨率值m与dac模块3的分辨率值之和；i0为系统输出驱动电流幅值范围，通过以下公式得出：

i0＝(i1-i0)(3)

公式(3)中，i1为系统输出驱动电流最大值，i0为系统输出驱动电流最小值，其值为0。

步骤2：数字控制单元1对步骤1中的数字量进行判断计算，得出分段数字量，具体包括：

步骤2.1：当步骤1.2中得到的i1值小于等于i×2^(n-1)时，对目标输出驱动电流所在区域进行判断，其中i为系统输出驱动电流精度，通过以下公式得出

步骤2.2：根据对步骤2.1中的目标输出驱动电流判断结果来分别计算电阻阵列4的电阻放大倍数q，电流阵列6的电流补偿份数p，dac模块3的dac起始数字量，具体包括：

当目标输出驱动电流起始值为系统输出驱动电流最小值即0时，电阻阵列4的电阻放大倍数q为：

电流阵列6的电流补偿份数p为0，dac模块3的dac起始数字量为0，公式(5)中m为电阻阵列4的分辨率值，大小与电流阵列6的分辨率值相等；

当目标输出驱动电流终止值为系统输出驱动电流最大值即i1时，电阻阵列4的电阻放大倍数q的计算方式为公式(5)，电流阵列6的电流补偿份数p为：

dac模块3的dac起始数字量为：

公式(7)中k为dac模块3的扫描步数，步长值为1；

当目标输出驱动电流值的端点值不在系统输出驱动电流值端点处时，电阻阵列4的电阻放大倍数q的计算方式为公式(5)，电流阵列6的电流补偿份数p的计算方式为公式(6)，dac模块3的dac起始数字量为：

其中，电阻阵列4的电阻放大倍数q、电流阵列6的电流补偿份数p以及dac模块3的dac起始数字量取值均为整数值，可向下取整。

步骤3：将步骤2中的分段数字量输入系统中对应的模块，完成系统目标输出的驱动电流，具体包括：分别将步骤2.2中计算所得电阻阵列4的电阻放大倍数q输入电阻阵列4，电流阵列6的电流补偿份数p输入电流阵列6，dac模块3的dac起始数字量输入dac模块3，完成系统目标输出分辨率值为m+n的驱动电流。

本发明的原理是：恒流源驱动电路中电压-电流转换电路模块其输出的驱动电流值与其输入电压与输出端电阻比值成比例变化。因此当输入电压范围一定的情况下，成比例增加输出端电阻值，即可获得成比例减小的输出驱动电流步长值，同时输出驱动电流值与dac输出端电阻和电流源输出端电阻的比值成比例变化，因此将两组电阻进行比例分布，从而提高局部输出驱动电流精度。但由于电压-电流转换电路的输出端电阻发生变化，会造成起始输入电压所对应的输出电流值也发生变化，与目标电流值不同，因此通过加入电流阵列，通过电流阵列对起始电流值进行补偿，使输出驱动电流满足系统目标输出范围。最终在n-bit的dac与m-bit的电流阵列的分段处理后，恒流源驱动电路可以在局部达到(m+n)-bit的精度要求。

本发明压控恒流源驱动电路的片上系统，通过m-bit的电流阵列6对目标输出驱动电流进行高m-bit处理，n-bit的dac模块3对目标输出驱动电流进行低n-bit处理，将目标输出驱动电流精度进行分段处理，最终恒流源驱动电路的输出驱动电流在目标范围达到(m+n)-bit的精度要求，使输出驱动电流精度在局部得到提高；本发明所采用的集成电路较之现有的pcb电路，将原有的板级模块集成到一个芯片当中，从而实现更高的集成度，同时较之传统直接使用高精度dac电路模块来实现恒流源驱动电路高精度的要求，本发明可以采用较低精度的dac电路配合以电流补偿电路来实现恒流源驱动电路的高精度需求，在相同精度的情况下，电路功耗，面积都得到很大的改善，并且集成电路较pcb电路具有可移植性，可以方便于应用到各类检测传感器中，实现高精度，高集成度等指标。