数控直流电流源的制作方法

本公开涉及直流电源领域，尤其涉及一种数控精密直流电流源。

背景技术：

在电子电路测量特别是芯片测量中，需要将直流电流信号加到被测系统中对其直流参数进行测试。随着现代化科技的发展，在这些测试中对高精度仪器仪表的要求也越来越高。在传统的直流电流源中，普遍存在体积庞大、调节复杂、不能在大范围内精确调节等缺点。如：有采用控制数控电阻网络来改变输出电流大小的传统直流电流源。由于电阻网络两档之间的变化比较大，这样就造成输出电流值不能很精确的控制，特别是在一些微小电流(如纳安甚至更小量级)的范围内更是不好精确的控制输出值；还有通过恒流二极管或恒流三极管构成的直流电流源能实现的恒流范围比较小，应用范围比较窄。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种数控精密直流电流源，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种数控直流电流源，包括：上位机，输出与控制模块的输入相连；d/a转换模块，其输入与控制模块输出相连，输出与电流产生模块的输入相连；电流产生模块的输出与负载相连，其输入与控制模块及d/a转换模块输出相连，用于产生所需的输出电流；控制模块的输出与d/a转换模块、电流产生模块相连，输入连接到上位机，用于接收上位机发出的指令，进行处理并生成d/a控制模块及电流产生模块的控制信号，对所述d/a控制模块及电流产生模块进行相应的控制，产生所需的输出电流。

在本公开一些实施例中，所述电流产生模块包括：功率运放模块，输入端连接到d/a转换模块及采样模块的输出端，用于接收d/a转换模块产生的电压信号及采样模块产生的采样信号，输出连接到量程选择模块和采样模块的输入端，用于将运算所得的电压信号传送给量程选择模块和采样模块；量程选择模块，控制输入端连接到控制模块输出端，用于接收控制模块产生的控制信号，同时量程选择模块输入端也与功率运放模块连接，接收其运算所得的电压信号，量程选择模块的输出端连接到负载及采样模块，通过量程变换与输出电流采样反馈，输出所需要的电流；采样模块，控制输入端连接到控制模块输出端，用于接收控制模块产生的控制信号，同时采样模块的第一输入端与功率运放的输出端连接，第二输入端与量程选择模块的输出端连接，用于采样量程选择模块两端的电压差，同时将运算出的电压值输出给功率运放模块，形成反馈网络。

在本公开一些实施例中，所述电流产生模块中，功率运放模块包括功率运放器件、电阻r1及r2，d/a转换模块的输出端连接到电阻r1的第一端，电阻r1的第二端连接到电阻r2的第一端及功率运放器件的第一输入端，功率运放器件的第二输入端接地，功率运放器件的输出端与量程选择模块输入端及采样模块的第一输入端相连，电阻r2第二端与采样模块的输出端相连；量程选择模块包括多个并联的采样电阻支路，其一端连接功率运放器件的输出端，另一端连接采样模块的第二输入端，每个并联的支路中采样电阻两端分别设置继电器开关；采样模块包括5个运算放大器，其中放大器a1的输入端连接到功率运放器件的输出端，输出端连接到放大器a3的输入端，放大器a2的输入端连接到量程选择模块的输出端，放大器a2的输出端连接到放大器a3的输入端，放大器a3的输出端连接到开关km1的第一端，开关km1第一路直接连接到功率运放模块的电阻r2第二端，开关km1第二路通过串联的放大器a4、a5及开关km2连接到功率运放模块的电阻r2第二端。

在本公开一些实施例中，上位机通过向控制模块发送电源的开通、关闭、量程选择、输出电流大小的指令对数控直流电流源进行控制。

在本公开一些实施例中，控制模块包括可编程逻辑器件及上位机接口电路，通过对接收的上位机发出的指令进行译码，产生d/a转换模块的控制时序和电流产生模块中的开关控制信号，使d/a转换模块与电流产生模块协同工作，产生所需的输出电流。

在本公开一些实施例中，所述d/a转换模块包括d/a转换器和d/a基准电压产生器及其外围电路。

在本公开一些实施例中，所述数控直流电流源还包括：外部供电模块，与控制模块、d/a转换模块、电流产生模块相连，为所述控制模块、d/a转换模块、电流产生模块供电。

在本公开一些实施例中，其中电流产生模块可根据控制模块的控制信号配置为大电流产生模块和小电流产生模块。

在本公开一些实施例中，上位机的输出与控制模块的输入相连，控制模块接收上位机的指令，转换为控制逻辑，控制与控制模块输出端相连的d/a转换模块、量程选择模块、采样模块；d/a转换模块接收控制模块的控制逻辑，输出相应的电压信号vin给功率运放模块的第一输入端，功率运放模块的输出电压记作vr，量程选择模块的输出电压记作vo，输出电流为电流源的输出电流io，采样模块的输出电压记作v4，在功率运放模块中，vin与v4分别通过电阻r1、r2与功率运放相连，其中r1＝r2，功率运放的第二输入端接地，此时vin＝-v4；在量程选择模块中，一共有n/2个量程，n＝2，4，6...，量程选择模块根据接收到的控制信号，闭合一个采样电阻rs两端的开关，此时vr-vo＝io×rs。

在本公开一些实施例中，在电流产生模块配置为大电流产生模块时，在采样模块中，开关km1的a、b端导通、km2闭合，放大器a4、a5不接入电路，vr和vo分别通过增益为-|g1|的放大器a1和增益为|g1|的放大器a2与增益为-|g2|的放大器a3相连，放大器a3的输入电压为v1，此时放大器a3的输出电压v2就是采样模块的输出电压v4，v4＝-|g2|v1；v1＝-|g1|vr+|g1|vo；可得到输出电流大小为：在电流产生模块配置为小电流产生模块时，在采样模块中，开关km1的a、c端导通、km2闭合，vr和vo分别通过增益为-|g1|放大器的a1和增益为|g1|的放大器a2与增益为-|g2|的放大器a3相连，放大器a4和a5的增益分别为-|g3|和-|g4|，放大器a3的输入电压为v1、放大器a3的输出电压为v2、放大器a4的输出电压为v3、放大器a5的输出电压为v4，v4＝-|g4|v3、v3＝-|g3|v2、v2＝-|g2|v1、v1＝-|g1|vr+|g1|vo；可得到输出电流大小为：

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开至少具有以下有益效果其中之一：

(1)通过可编程逻辑器件构成的控制模块可根据输出电流大小自动调整采样模块到合适增益，能大范围输出直流电流(从几皮安到几安培)，使运算放大器工作在稳定的区域；

(2)由于采用了可编程逻辑器件、d/a转换模块以及高精度采样电阻构成的量程选择模块，在全范围内进行等精度调节，实现电流大小调节数字化；可编程逻辑器件根据需要输出电流的大小，灵活切换采样模块中开关通断，使采样模块中参加运算的放大器个数可根据电流大小进行增减，从而保持电路稳定；

(3)由于采用了可编程逻辑器件和da转换模块，输入到功率运放模块的电压可正可负，因此可以输出双向电流；

(4)用于采用的元器件简单易用易于购买，实现的电流源体积小、输出范围广、精度高且易于控制，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本公开实施例数控精密直流电流源框图。

图2为本公开实施例电流产生模块原理框图。

图3为本公开实施例数控精密直流电流源大电流产生模块电路图。

图4为本公开实施例数控精密直流电流源小电流产生模块电路图。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种数控精密直流电流源。图1为本公开第一实施例数控精密直流电流源框图。如图1所示，本公开数控精密直流电流源包括：上位机、控制模块、d/a转换模块、电流产生模块、外部供电模块、负载共六个部分组成。上位机的输出与控制模块的输入相连；控制模块的输出与d/a转换模块、电流产生模块相连，控制模块接收上位机发出的指令，转换为d/a控制模块及电流产生模块的控制信号，并对这两个模块进行相应的控制；d/a转换模块的输出与电流产生模块的输入相连；电流产生模块的输出与负载相连，为负载提供所需的电流；外部供电模块与控制模块、d/a转换模块、电流产生模块相连，为这三个模块供电。

以下分别对本实施例数控精密直流电流源的各个组成部分进行详细描述。

上位机输出连接至控制模块，用于向控制模块发送电源的开通、关闭、量程选择、输出电流大小等指令对数控精密直流电流源进行控制；

控制模块包括可编程逻辑器件及上位机接口电路等，控制模块的输出连接至d/a转换模块和电流产生模块，用于接收上位机发出的指令并对指令进行译码，产生d/a转换模块的控制时序和电流产生模块中的开关控制信号，使d/a转换模块与电流产生模块协同工作，产生所需的输出电流。

d/a转换模块包括d/a转换器和d/a基准电压产生器及其外围电路，其输出连接至电流产生模块，用于为电流产生模块提供电流产生所需的电压。

电流产生模块包括功率运放模块、量程选择模块与采样模块组成，用于产生所需的输出电流。图2为本公开实施例电流产生模块原理框图，如图2所示，电流产生模块中功率运放模块输入端连接到d/a转换模块及采样模块的输出端，用于接收d/a转换模块产生的电压信号及采样模块产生的采样信号，输出连接到量程选择模块和采样模块的输入端，用于将运算所得的电压信号传送给量程选择模块和采样模块；量程选择模块与采样模块的控制输入端连接到控制模块输出端，用于接收控制模块产生的控制信号，量程选择模块的输出端连接到负载及采样模块，通过量程变换与输出电流采样反馈，输出所需要的电流。

功率运放模块输入端连接到d/a转换模块及采样模块的输出端，用于接收d/a转换模块产生的电压信号及采样模块产生的采样信号，输出连接到量程选择模块和采样模块的输入端，用于将运算所得的电压信号传送给量程选择模块和采样模块。功率运放模块包括功率运放器件以及外围电路。优选地，外围电路包括电阻r1及r2，d/a转换模块的输出端连接到电阻r1的第一端，电阻r1的第二端连接到电阻r2的第一端及功率运放器件的第一输入端，功率运放器件的第二输入端接地，功率运放器件的输出端与量程选择模块的输入端和采样模块的第一输入端相连，电阻r2第二端与采样模块的输出端相连。

量程选择模块的控制输入端连接到控制模块输出端，用于接收控制模块产生的控制信号，同时量程选择模块也与功率运放模块连接，接收其运算所得的电压信号，量程选择模块的输出端连接到负载及采样模块，通过量程变换与输出电流采样反馈，输出所需要的电流。量程选择模块包括继电器网络与精密电阻网络。优选地，所述量程选择模块包括多个并联的采样电阻，其一端连接功率运放器件的输出端，另一端连接采样模块的第二输入端，每个并联的支路中采样电阻两端分别设置继电器开关。

采样模块的控制输入端连接到控制模块输出端，用于接收控制模块产生的控制信号，同时采样模块的第一输入端与功率运放模块的输出端连接，第二输入端与量程选择模块的输出端连接，用于采样量程选择模块两端的电压差，同时将运算出的电压值输出给功率运放模块，形成反馈网络。其包括多个运算放大器及其外围电路。优选地，所述运算放大器数量为5个，其中放大器a1的输入端连接到功率运放器件的输出端，输出端连接到放大器a3的输入端，放大器a2的输入端连接到量程选择模块的输出端，放大器a2的输出端连接到放大器a3的输入端，放大器a3的输出端连接到开关km1的第一端，开关km1第一路直接连接到功率运放模块的电阻r2第二端，开关km1第二路通过串联的放大器a4、a5及开关km2连接到功率运放模块的电阻r2第二端。

图3是本公开实施例数控直流电流源大电流产生模块电路图。如图3所示，上位机的输出与控制模块的输入相连，控制模块接收上位机的指令，转换为控制逻辑，控制与控制模块输出端相连的d/a转换模块、量程选择模块、采样模块。d/a转换模块的输出端与功率运放模块的第一输入端相连，d/a转换模块接收控制模块的控制逻辑，输出相应的电压信号vin给功率运放模块的第一输入端。功率运放模块的输出端与量程选择模块的输入端和采样模块的第一输入端相连，功率运放模块的输出电压记作vr。量程选择模块的输出端与采样模块的第二输入端和负载的输入端相连，量程选择模块的输出电压记作vo，输出电流为电流源的输出电流io。采样模块的输出端与功率运放模块的第二输入端相连，采样模块的输出电压记作v4。在功率运放模块中，vin与v4分别通过电阻r1、r2与功率运放相连，其中r1＝r2，功率运放的第二输入端接地，此时vin＝-v4。在量程选择模块中，一共有n/2(n＝2，4，6...)个量程，量程选择模块根据接收到的控制信号，闭合一个采样电阻rs两端的开关，此时vr-vo＝io×rs。在采样模块中，开关km1的a、b端导通、km2闭合，放大器a4、a5不接入电路，vr和vo分别通过放大器a1(增益为-|g1|)和放大器a2(增益为|g1|)与放大器a3(增益为-|g2|)相连，放大器a3的输入电压为v1，此时放大器a3的输出电压v2就是采样模块的输出电压v4，v4＝-|g2|v1；v1＝-|g1|vr+|g1|vo。可得到输出电流大小为：

图4是本公开实施例数控精密直流电流源大电流产生模块电路图。如图4所示，上位机的输出与控制模块的输入相连，控制模块接收上位机的指令，转换为控制逻辑，控制与控制模块输出端相连的d/a转换模块、量程选择模块、采样模块。d/a转换模块的输出端与功率运放模块的第一输入端相连，d/a转换模块接收控制模块的控制逻辑，输出相应的电压信号vin给功率运放模块的第一输入端。功率运放模块的输出端与量程选择模块的输入端和采样模块的第一输入端相连，功率运放模块的输出电压记作vr。量程选择模块的输出端与采样模块的第二输入端和负载的输入端相连，量程选择模块的输出电压记作vo，输出电流为电流源的输出电流io。采样模块的输出端与功率运放模块的第二输入端相连，采样模块的输出电压记作v4。在功率运放模块中，vin与v4分别通过电阻r1、r2与功率运放相连，其中r1＝r2，功率运放的第二输入端接地，此时vin＝-v4。在量程选择模块中，一共有n/2(n＝2，4，6...)个量程，量程选择模块根据接收到的控制信号，闭合一个采样电阻rs两端的开关，此时vr-vo＝io×rs。在采样模块中，开关km1的a、c端导通、km2闭合，vr和vo分别通过放大器a1(增益为-|g1|)和放大器a2(增益为|g1|)与放大器a3(增益为-|g2|)相连，放大器a3的输入电压为v1、放大器a3的输出电压为v2、放大器a4的输出电压为v3、放大器a5的输出电压为v4，v4＝-|g4|v3、v3＝-|g3|v2、v2＝-|g2|v1、v1＝-|g1|vr+|g1|vo；。可得到输出电流大小为：

本发明的数控精密直流电流源为了保证电路稳定，电流源在工作时，所有运算放大模块放大倍数绝对值都不超过20倍。为输出合适的电流且保持电流稳定，电流源在工作时，将根据电路输出电流的大小选择参加运算的放大器个数。为消除非本量程的采样电阻引入的热噪声，在每个采样电阻两端都设置了选通开关，每次只闭合一个采样电阻两端的选通开关。

当然，上述硬件结构还应当包含电源模块(图未示)等功能模块，这些是本领域内的一般技术人员可以理解的，本领域内一般技术人员也可以根据功能的需要，添加相应的功能模块，在此不作赘述。

至此，本公开第一实施例数控精密直流电流源介绍完毕。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。