专利名称：一种v-i转换电路及应用这种转换电路的程控电流源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子线路领域及电流源领域。
背景技术：
程控电流源是自动测试、计量校准不可或缺的仪器，在工矿企业和科研 国防的计量仪表、自动化检定设备中广泛应用。目前，程控电流源普遍采用
压控方式，即首先产生控制电压，然后经V-I转换实现电流输出。由于控制 电压产生方式、V-I转换实现方法以及输出电流控制方式的不同，电流源在
输出范围以及精度上存在较大差异。
在电机驱动，伺服系统驱动等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-I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1A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；在测试系统，校准设备等应用 环境中，电流输出多直接采用电流输出型D/A转换器产生，虽然精度能够在pA 级别，但由于D/A转换器的输出电流范围较小，所以该类电流源的输出不会 超过几个mA;另外，为保证输出精度，该类电流源的结构都比较复杂，体积 都比较大，不适合嵌入式应用。
上述两类电流源的缺陷制约了其应用范围，比如在一些惯导设备的驱动 中，需要精度在10(iA级别、电流输出范围在50mA左右、双向输出的电流 源，且该电流源需要嵌入在惯导设备的控制计算机中应用，显然上述的两类 电流源都不能够满足要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有V-I转换电路输出电流的变化范围小、不 能双向输出和程控电流源的精度低及体积过大而无法进行嵌入式开发的问题， 从而提供一种V-I转换电路及应用这种转换电路的程控电流源。
一种V-I转换电路，它包括电阻R,、电阻112、电阻113、电阻R4、采样 电阻Rsi、采样电阻Rs2、运算放大器A,、运算放大器A2和运算放大器A3， 电阻&的一端作为V-I转换电路的输入端，电阻R,的另一端与电阻R2的一
端和运算放大器A的正输入端连接，电阻R2的另一端与运算放大器A2的负
输入端和运算放大器A2的输出端连接，运算放大器A,的输出端与运算放大 器A3的正输入端、电阻R3的一端和采样电阻Rsi的1脚连接，所述采样电 阻RS1的2脚与采样电阻RS2的2脚和运算放大器A2的正输入端连接，运算 放大器A,的负输入端与电阻R3的另一端和电阻R4的一端连接，所述电阻
R4的另一端接地，运算放大器A3的负输入端与其输出端和采样电阻Rs2的1
脚连接，电阻Ri、电阻R2、电阻R3和电阻R4为阻值相同的电阻，采样电阻 RS1的2脚作为V-I转换电路的输出端。
工作原理如图1所示，Ui为控制电压，1。为输出电流，电阻R,为负载。 设运算放大器Ap运算放大器A2和运算放大器A3均为理想运算放大器，其正 输入端和负输入端输入的电流均为零且电平相同，运算放大器A2作为电压跟 随器，因为运算放大器A2正输入端的输入电流可以为零，所以电流全部输出 到负载中,故有
^3= (1) 运算放大器A,为比例放大电路，所以有
<formula>formula see original document page 5</formula>
^ (2) (3)
i 2
取R产R^R尸R4^0kQ，由(l)、 (2)和(3)可得到
<formula>formula see original document page 5</formula> (4) 由式(4)，可得到
穴S1 ~1
由式(5)可以看出，电流的输出取决于控制电压Ui以及采样电阻R^， 而与负载无关，实现了恒流输出，并且只要改变Ui的极性，即可改变输出电 流的方向，从而实现双向电流输出。
综上所述，电流的输出主要由运算放大器A,提供，为保证精度，运算放 大器采用高精度的运算放大器，但高精度运算放大器的输出范围较小，最高
在20mA左右，且输出范围受负载大小影响，所以不能满足大电流输出的要求。 为此，V-I转换电路中增加了运算放大器A3，且将运算放大器A3设计为电压跟
随器，其输入电压为运算放大器Ai的输出电压，即有
(6)
<formula>formula see original document page 6</formula>(8)
在控制电压范围不变的条件下，同理，如图3所示，V-I转换电路中增 加多个运算放大器，设增加的数量为n(n为大于零的整数)个，则总的输出
电流Io的范围变为原来输出电流的n+l f
'立
本发明的V-I转换电路利用运算放大器并联技术，按照电流输出的需要 改变运算放大器的数量及与其对应的采样电阻的数量来控制电流输出的变化 范围，并且只需要改变Ui的极性，即可改变输出电流的方向，实现了双向电 流的输出。
优点本发明的V-I转换电路的结构简单，电流输出的变化范围可以控 制且不受负载大小影响，满足了大电流的输出的要求，并且电流可以双向输 出。
应用V-I转换电路的程控电流源，它包括接口芯片、现场可编程门阵列、 D/A转换模块、V-I转换电路，接口芯片控制信号输出端与现场可编程门阵 列的控制信号输入端连接，所述现场可编程门阵列控制信号输出端与D/A转 换模块的数字信号输入端连接，所述D/A转换模块的模拟信号输出端与V-I 转换电路的输入端连接，所述V-I转换电路的输出端输出电流。
工作原理现场可编程门阵列控制D/A转换模块产生控制电压，所述控 制电压在V-I转换电路中转换为电流输出。
本发明的应用V-I转换电路的程控电流源利用电压控制的方式，通过V-I
转换电路实现V-I转换，并且在电流源中使用现场可编程门阵列和D/A转换
模块产生双极性的控制电压，保证了输出的电流具有较高的精度，且实现了 电流的双向输出。本发明的电流源适用于惯导设备驱动，测量校准仪器的电 流源输出等。
优点本发明的应用V-I转换电路的程控电流源，它输出的电流具有较 高的精度，电流输出的变化范围可以控制且不受负载大小影响，电流可以双
向输出；本发明的应用V-I转换电路的程控电流源，它使用器件简单，体积 小，适合嵌入式应用。
图1是本发明的V-I转换电路与负载RL的连接结构示意图，图2本发明具体实施方式
二的V-I转换电路并联二个运算放大器的电路与负载Rl的连接 结构示意图，图3本发明具体实施方式
三的V-I转换电路并联多个运算放大 器的电路与负载RL的连接结构示意图，图4是本发明的程控电流源的电路结 构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1说明本具体实施方式
， 一种V-I转换电路，
它包括电阻Rb电阻R2、电阻R"电阻R4、采样电阻R引、采样电阻Rs2、 运算放大器A,、运算放大器A2和运算放大器A3，电阻Rt的一端作为V-I转 换电路的输入端，电阻R,的另一端与电阻R2的一端和运算放大器Ai的正输 入端连接，电阻R2的另一端与运算放大器A2的负输入端和运算放大器A2 的输出端连接，运算放大器AJ勺输出端与运算放大器A3的正输入端、电阻 R3的一端和采样电阻RS1的1脚连接，所述采样电阻RS1的2脚与采样电阻 RS2的2脚和运算放大器A2的正输入端连接，运算放大器A,的负输入端与电
阻R3的另一端和电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端接地，运算放大
器A3的负输入端与其输出端和采样电阻Rs2的l脚连接，电阻R^电阻112、 电阻R3和电阻&为阻值相同的电阻，采样电阻RS1的2脚作为V-I转换电路
的输出端。
具体实施方式
二结合图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具 体实施方式一的区别在于它还包括运算放大器A4和采样电阻Rs4，运算放
大器A4的正输入端与运算放大器A,的输出端连接，所述运算放大器A4的负 输入端与其输出端和采样电阻RS4的一端连接，所述采样电阻RS4的另一端 与电阻Rsi的2脚连接。
具体实施方式
三结合图3说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具 体实施方式二的区别在于它还包括多个运算放大器和多个采样电阻，所述 每个运算放大器的正输入端均与运算放大器A的输出端连接，所述每个运算 放大器的负输入端均与其输出端和一个采样电阻的一端连接，所述这个采样
电阻的另一端与电阻RS1的2脚连接。
具体实施方式
四本具体实施方式
与具体实施方式
一 三的区别在于 电路中每个采样电阻阻值都相等且均为输入控制电压的最大值除以输出电流 值与采样电阻数量的乘积。
具体实施方式
五结合图4说明本具体实施方式
，应用V-I转换电路的
程控电流源，它包括接口芯片3、现场可编程门阵列4、 D/A转换模块5、 V-I 转换电路6，接口芯片3控制信号输出端与现场可编程门阵列4的控制信号 输入端连接，所述现场可编程门阵列4控制信号输出端与D/A转换模块5的 数字信号输入端连接，所述D/A转换模块5的模拟信号输出端与V-I转换电 路6的输入端连接，所述V-I转换电路6的输出端输出电流。
具体实施方式
六本具体实施方式
与具体实施方式
五的区别在于，它还 包括计算机1和PCI总线2，计算机1通过PCI总线2与接口芯片3的控制 信号输入端连接。
本实施方式中的计算机通过PCI总线将控制信号传送至现场可编程门阵 列，所述现场可编程门阵列控制D/A转换模块产生控制电压，所述控制电压 在V-I转换电路中转换为电流输出。
具体实施方式
七本具体实施方式
与具体实施方式
五的区别在于D/A 转换模块5的模拟信号输出端输出的电压为双极性电压。
本实施方式中在应用V-I转换电路的程控电流源中使用现场可编程门阵
列4和D/A转换模块5产生双极性的控制电压，实现了双向电流输出。
具体实施方式
八本具体实施方式
与具体实施方式
四的区别在于本具 体实施方式中运算放大器A,、运算放大器A2、运算放大器A3和多个运算放
大器的型号均为OP177AN，电阻&、电阻R2、电阻R"电阻R4、采样电阻 Rsl、采样电阻Rs2和多个采样电阻均是精度为0.lX。、温漂为5ppm的精密电 阻。
具体实施方式
九本具体实施方式
与具体实施方式
五 七的区别在于接口
芯片3的型号是PCI9030。
权利要求
1、一种V-I转换电路，其特征是它包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、采样电阻RS1、采样电阻RS2、运算放大器A1、运算放大器A2和运算放大器A3，电阻R1的一端作为V-I转换电路的输入端，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和运算放大器A1的正输入端连接，电阻R2的另一端与运算放大器A2的负输入端和运算放大器A2的输出端连接，运算放大器A1的输出端与运算放大器A3的正输入端、电阻R3的一端和采样电阻RS1的1脚连接，所述采样电阻RS1的2脚与采样电阻RS2的2脚和运算放大器A2的正输入端连接，运算放大器A1的负输入端与电阻R3的另一端和电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端接地，运算放大器A3的负输入端与其输出端和采样电阻RS2的1脚连接，电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4为阻值相同的电阻，采样电阻RS1的2脚作为V-I转换电路的输出端。
2、 根据权利要求1所述的V-I转换电路，其特征是它还包括运算放大器 A4和采样电阻RS4，运算放大器A4的正输入端与运算放大器的输出端连接， 所述运算放大器A4的负输入端与其输出端和采样电阻RS4的一端连接，所述 采样电阻RS4的另一端与电阻RS1的2脚连接。
3、 根据权利要求2所述V-I转换电路，其特征是它还包括多个运算放大 器和多个采样电阻，所述增加的每个运算放大器的正输入端均与运算放大器 A,的输出端连接，所述增加的每个运算放大器的负输入端均与其输出端和一 个增加的采样电阻的一端连接，所述这个增加的采样电阻的另一端与电阻Rsj 的2脚连接。
4、 根据权利要求l、 2和3所述的V-I转换电路，其特征是其中每个采样 电阻阻值都相等且均为输入控制电压的最大值除以输出电流值与采样电阻数 量的乘积。
5、 应用权利要求1所述的V-I转换电路的程控电流源，其特征是它包括 接口芯片(3)、现场可编程门阵列(4)、 D/A转换模块(5)、 V-I转换电路(6)， 接口芯片(3)控制信号输出端与现场可编程门阵列(4)的控制信号输入端连 接，所述现场可编程门阵列(4)控制信号输出端与D/A转换模块(5)的数 字信号输入端连接，所述D/A转换模块(5)的模拟信号输出端与V-I转换电 路(6)的输入端连接，所述V-I转换电路(6)的输出端输出电流。
6、 根据权利要求5所述的应用V-I转换电路的程控电流源，其特征为它 还包括计算机(1)和PCI总线(2)，计算机(1)通过PCI总线(2)与接口 芯片(3)的控制信号输入端连接。
7、 根据权利要求5所述的应用V-I转换电路的程控电流源，其特征为D/A 转换模块(5)的模拟信号输出端输出的电压为双极性电压。
全文摘要
一种V-I转换电路及应用这种转换电路的程控电流源，它涉及电子线路领域及电流源领域。本发明解决了现有V-I转换电路输出电流的变化范围小、不能双向输出和程控电流源精度低及体积过大而无法进行嵌入式开发的问题。一种V-I转换电路，运放A<sub>1</sub>的正输入端通过电阻R<sub>2</sub>与运放A<sub>2</sub>的负输入端和运放A<sub>2</sub>输出端连接，运放A<sub>1</sub>的输出端与运放A<sub>3</sub>正输入端连接并通过采样电阻R<sub>s1</sub>与采样电阻R<sub>s2</sub>的2脚和运放A<sub>2</sub>的正输入端连接，运放A<sub>3</sub>的负输入端与其输出端和采样电阻R<sub>s2</sub>的1脚连接。应用V-I转换电路的程控电流源，现场可编程门阵列通过D/A转换模块与V-I转换电路的连接；本发明适用于惯导设备驱动，测量校准仪器的电流源输出等。
文档编号G05F1/10GK101349927SQ200810137060
公开日2009年1月21日 申请日期2008年9月5日 优先权日2008年9月5日
发明者洋 俞, 刘大同, 宇 彭, 王少军, 赵光权 申请人:哈尔滨工业大学