多通道程控脉冲电压/电流输出装置的制作方法

本实用新型涉及能够按设定时间输出电压/电流脉冲的电源装置的领域，尤其是一种多通道程控脉冲电压/电流输出装置。

背景技术：

程控多通道脉冲电流电压装置主要是实现对被测设备的脉冲电压/电流参数的校准。该装置的技术特点是：大电流脉冲信号输出幅值准确度控制在±0.5％,脉冲宽度及脉冲间隔时间控制在±3ms。首先，对电流脉冲信号幅值控制要较普通交、直流电流幅值控制难度要大很多，且控制准确度要在±0.5％，实现更为困难。其次，脉冲电流的宽度以及脉冲发生间隔时间控制在±3ms，实现大电流脉冲信号毫秒级控制，采用普通控制电路是难以实现的。最后，对于测量被测高精度仪器，通过普通的信号源，放大器是无法满足技术指标要求的，现有的校准仪器均无法对此类参数直接进行校准。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种多通道程控脉冲电压/电流输出装置，该装置大电流脉冲信号输出幅值准确度控制在±0.5％,脉冲宽度及脉冲间隔时间控制在±3ms。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种多通道程控脉冲电压/电流输出装置，包括电压源模块、电流源模块、电流切换模块、控制模块、标准电阻箱，其特征在于：所述控制模块控制电流源模块、电流切换模块、和电压源模块，所述多个电流源模块连接电流切换模块的多个输入端，所述电流切换模块的输出端连接标准电阻箱，所述标准电阻箱和电压源模块的输出端分别设有输出端子。

进一步的技术方案在于，所述电压源模块包括一个变压器、两个整流器、两个滤波电容、一个稳压器、一个微处理器、一个DAC寄存器、一个ADC、一个CAN总线收发器、一个二极管或门电路、一个功率运算放大器、一个电压误差放大器、一个电流误差放大器、一个风扇控制器、一个检流电阻、一个电流差分放大器、一个电压差分放大器、一个散热风扇、一个输出滤波器。

进一步的技术方案还在于，所述电流源模块包括一个变压器、两个整流器、两个滤波电容、一个稳压器、一个微处理器、一个DAC寄存器、一个ADC、一个CAN总线收发器、一个二极管或门电路、一个功率运算放大器、一个电压误差放大器、一个电流误差放大器、一个风扇控制器、一个检流电阻、一个电流差分放大器、一个电压差分放大器、一个散热风扇、一个输出滤波器。

进一步的技术方案还在于，所述电压源模块末级采用LM3886型音频放大器集成电路。

进一步的技术方案还在于，所述电流源模块末级采用IRFP150型场效应晶体管。

进一步的技术方案还在于，所述电压源模块还和电流源模块还包括电压取样电阻和电流取样电阻。

进一步的技术方案还在于，所述电压源模块和电流源模块设有校准程序。

进一步的技术方案还在于，所述电压取样电阻使用30kΩ电阻值15ppm的低漂电阻。

进一步的技术方案还在于，所述电流取样电阻为ISA公司的PBV系列电阻。

进一步的技术方案还在于，所述标准电阻箱包括1个30:1的分压器和6个标准采样电阻。

进一步的技术方案还在于，所述电流切换模块包括偏置负电压源、一个场效应管开关、一个二极管开关及一些RC吸收回路、MOSFET驱动电路、辅助供电电路、信号隔离电路构成。

进一步的技术方案还在于，所述控制模块包括5V/3.3V电源、RS232通讯口、同步信号接口、CAN总线接口、微处理器、OLED显示屏、高稳晶振和同步信号输出接口。

进一步的技术方案还在于，所述控制模块能够与上位机进行通讯。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型大电流脉冲信号输出幅值准确度控制在±0.5％,脉冲宽度及脉冲间隔时间控制在±3ms。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的原理示意图；

图2是电压源模块原理示意图；

图3是电流源模块原理示意图；

图4是控制模块原理示意图；

图5是电流切换模块原理示意图。

其中:1、电压源模块；2、电流源模块；3、电流源切换模块；4、控制模块；5、标准电阻箱。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在图1、图2、图3、图4所示的本实施例中本实用新型包括电压源模块、电流源模块、电流切换模块、控制模块和标准电阻箱。

本实用新型在电压源模块中市电经变压器隔离变压后产生主电路使用的32V交流电，经整流滤波后产生约38V左右的脉动直流电提供给后级功率放大器，同时辅助供电绕组产生18V交流电，经整流滤波电后后进入稳压器，产生±15V直流电，供模拟电路和处理器电路使用，功率放大器产生驱动复杂的输出信号，同时受模拟控制电路控制，调节负载电压/电流大小。微处理器通过CAN总线接口与外部通讯，接收电压/电流设定数据但不接收时间设定数据，因为电压源模块输出开启与关闭有单独的快速信号控制这个信号来自控制板，接收到正确的数据后，与内部校准系数运算得出DAC控制数字量，将数字量写入DAC寄存器，但不使能DAC输出刷新信号，此时电源没有输出。处理器得到正确的设定数据并将数字量写入DAC后，等待输出使能信号，当输出使能信号有效时，立即将DAC输出刷新信号使能，数字量被刷新至DAC输出寄存器，这时处理器会继续向DAC写入0x0000即输出关闭数字量，但不使能刷新信号，DAC输出控制电压后，该电压被送至电压、电流误差放大器，误差放大器根据电压/电流差分放大器测得的信号产生误差信号，并经过放大和调理后驱动功率放大器使负载的电压/电流与设定值相等，当输出使能信号消失后，处理器立即将DAC输出刷新信号使能，DAC将先前写入的0x0000刷入输出寄存器，DAC输出控制电压(0V)，经误差放大器调整功率放大器将输出电压/电流降至0，完成输出关闭操作。二极管或门电路负责将电源工作时电压/电流误差放大器产生的信号运算后控制功率放大器，使电源电压/电流限制边界为一矩形，保护电源和负载不受损坏。处理器同时通过ADC测量电压、电流差分放大器测得的负载电压/电流信号，判断电源是否正常，同时还通过CC/CV比较器输出的信号判断电源处于何种工作模式(CC/CV)。风扇控制电路负责驱动风扇，使散热风扇转速在可控范围，处理器根据负载情况调节风扇控制电路的驱动信号，从而实现对风扇转速的控制。同时电压源模块末级使用速度快带宽高的功率放大器模块，该放大器模块未接负载时时穿越频率400kHz，能提供10V/us电压摆动速率，施加电容负载后斜率会下降至1V/us,200us电压建立时间只需0.15V/us摆动速率即可实现目标，只要斜率不降至0.15V/us以放大器即可满足摆动速率要求。

电流源模块基本原理和电压源模块相同，但功率放大器驱动负载能力比电压源模块强数倍，以满足高输出电流要求。电流源模块提供的输出需要快速稳定，快速性由功率放大器模块保证，稳定性由元件和设计保证，和精度有关的取样电阻使用15ppm的低漂移电阻，电流取样电阻使用ISA公司PBV系列电阻，由于电流源输出电流较大，但持续时间很短，不会引起电阻热量积累，所以电阻发热引起的漂移问题并不严重，事实上，电阻的发热不会高于5℃，温度系数由于发热产生的影响可以忽略，但由于环境温度和机体内温度发生改变，电流取样电阻仍需要较低漂移的型号，以得到良好的温度稳定性指标。

而且电流源模块使用了一个专用的电流源切换模块实现负载电流的快速控制，负载电流的快速切换靠外置的场效应晶体管和二极管完成，电流源只需输出恒定的电流即可，这样对电流源的控制特性要求降低，使电流源制作难度降低，该模块通过一个特定的偏置负电压源、一个场效应管开关、一个二极管开关及一些附加电路(RC吸收回路、MOSFET驱动电路、辅助供电电路、信号隔离电路)构成，该模块基本工作原理是在负载需要快速的电流脉冲前启动电流源，但此时场效应管开关将电流源输出直接与-3V偏置电压源连接，电流源输出的电压为负极性，由于负载串联了二极管，二极管反偏截止，电流源输出的电流无法流过负载，当负载需要得到电流脉冲时，控制电路将场效应管瞬间关断，由于场效应管关断速度极快(时间约200ns)此时电流源输出的电压变为正极性，与负载串联的二极管导通，电流流经负载通过地线返回，由于电流源在整个过程都没有存在开路情况，电流源的电流控制环一直处于闭环状态，电流调整速度很快，负载即可得到很好的电流脉冲电流波形，当负载电流脉冲持续时间达到后，只需再次导通场效应管即可让流过负载的电流消失，此时一个脉冲输出已经完成，随后关闭电流源输出即可。通过使用电流源切换模块可以通过不复杂的外部电路在满足负载所需电流脉冲信号要求的情况下，降低对电流源电流控制速度的要求，从而降低对电流源设计和调试的难度，使电路易于控制，降低电路设计失败带来的风险。

控制模块由于没有模拟电路，不需要正负电源，只需要5V和3.3V供电，使用一个小功率开关电源即可提供所有供电。晶体振荡器负责向处理器提供准确的时钟，经处理器内部的锁相环倍频后提供处理器工作需要的正常工作节拍，同时也向处理器内部的各个定时器提供定时节拍，以产生精准的定时信号。控制模块通过RS232通讯口与上位机通讯，接收每个通道的脉冲的幅度、启动时间、脉冲宽度三种共21组数据，这些数据被处理器分离后，将各通道脉冲幅度合计14组数据(其中有7组数据如果上位机不传送，控制模块会自动产生)通过CAN总线接口分发至电压/电流源模块，将时间和脉冲宽度数据送至脉冲产生控制软件模块，同时也将这些数据送至显示屏，在屏幕上显示设定的参数，完成这些操作后等待上位机发送启动信号。接收到上位机通过RS232通讯口写入启动信号后，控制模块会产生一个上升沿同步信号向外输出至数据采集器，用于启动采集器记录数据，同时提供7组输出使能信号通过光电耦合器控制各路电压/电流源输出的使能，达到顺序输出脉冲的目的。

标准电阻箱包含1个30:1分压器和6个标准采样电阻，负责将脉冲电源提供给被测设备的电压/电流脉冲转换为最大1V幅值的电压脉冲，数据采集卡通道量程全部设定为1V即可，标准电阻箱输出的为差分信号，要求采集卡每个通道都为差分输入，且各个通道不能有电气连接，即通道输入端子对大地均为高阻抗。

为得到良好的长期稳定性，与精度有关的电路无法使用可变电阻元件，这些元件会由于震动和氧化产生持续的不确定的漂移，使电源长期稳定性受到较大影响，如果去掉可调电阻元件，由于电源自身元件都存在制造误差，这些误差需要由软件完成矫正，需要编写完整的校准程序，在电源完成调试后，通过校准命令将参数输入电源并保存，在每次计算DAC装在的数字量时调出使用，校准程序我们已有完善的模板套用，在我们设计的其他电源上均有使用。