一種數(shù)控高穩(wěn)定性直流大電流信號(hào)源系統(tǒng)

李越超 韓冰 孫向平

摘 要：針對(duì)目前大電流源常見(jiàn)的輸出范圍小和精度不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)控制的大電流直流信號(hào)源，系統(tǒng)具備高精度、高穩(wěn)定性、可拓展、小體積等特點(diǎn)。基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大電流源精度較高、穩(wěn)定性高，采用24 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高達(dá)20 bit的最高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器，性能優(yōu)于一般模擬控制方案。系統(tǒng)具有較高的集成度，在實(shí)現(xiàn)大電流、大功率輸出標(biāo)準(zhǔn)值的情況下，體積控制在3U機(jī)箱內(nèi)。同一機(jī)柜可并聯(lián)使用多個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高電流輸出，功能更加強(qiáng)大，應(yīng)用前景廣泛。

關(guān)鍵詞：大電流信號(hào)源；高精度；高穩(wěn)定性；閉環(huán)控制

0 引言

在測(cè)試測(cè)量、計(jì)量校準(zhǔn)領(lǐng)域中，大電流源是不可或缺的儀器，在科研國(guó)防及新能源領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。目前，多數(shù)電流源普遍采用壓控方式，首先需要產(chǎn)生控制電壓，然后經(jīng)電壓-電流轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電流輸出。由于控制電壓產(chǎn)生方式、質(zhì)量，以及電壓-電流轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)方式的不同，電流源在輸出范圍和輸出精度上有較大差異。

在測(cè)試系統(tǒng)、校準(zhǔn)設(shè)備等應(yīng)用環(huán)境中，電流輸出多直接采用電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，這種方式雖然精度可以達(dá)到μA級(jí)別，但由于D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電流范圍較小，所以這類(lèi)電流源的輸出不會(huì)超過(guò)幾mA，很難保證校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)試環(huán)節(jié)中動(dòng)輒幾百到幾千A的需求。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)控高穩(wěn)定性大電流源系統(tǒng)，系統(tǒng)以20位DAC產(chǎn)生高精度控制電壓信號(hào)，采用模擬電路實(shí)現(xiàn)電壓-電流轉(zhuǎn)換，采用磁通門(mén)傳感器、低溫漂電阻及24位ADC對(duì)輸出進(jìn)行采樣，利用一整套系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，確保輸出高精度和高穩(wěn)定性。

1 原理

1.1 MOS管控制電流原理

MOS管是電壓控制器件，需要使用電壓控制G角來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管子電流的控制。最常見(jiàn)的是增強(qiáng)型N溝通MOS管，使用一個(gè)電壓來(lái)控制G的電壓，導(dǎo)通電壓一般在（2～4）V，若要完全控制，這個(gè)值一般要上升到10 V左右。

2 設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

電流源的系統(tǒng)框圖如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)分為輸出部分和回采調(diào)整部分。

輸出部分負(fù)責(zé)控制電壓的產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路，控制大功率MOS管，進(jìn)而控制流經(jīng)MOS管的電流。回采部分主要實(shí)現(xiàn)輸出電流信號(hào)的采樣，大電流信號(hào)經(jīng)過(guò)磁通門(mén)傳感器轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，計(jì)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，再控制輸出部分，調(diào)整輸出信號(hào)，達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出、輸出保持高穩(wěn)定的目的。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 電壓基準(zhǔn)模塊

無(wú)論是模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器，想要實(shí)現(xiàn)高性能，都需要一個(gè)高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)電壓。LM399保證 5×10-7/℃的極低溫漂系數(shù)，同時(shí)具有20 μVRMS最大噪聲，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)的要求，其硬件電路圖如圖4所示。

LM399為固定6.95 V并聯(lián)基準(zhǔn)，不在AD5791和CS5532所容許的基準(zhǔn)電壓范圍內(nèi)，需要配合低溫漂電阻和儀用放大器AD8675調(diào)節(jié)電壓，以達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)范圍。

2.2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊

數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的精度決定了輸出系統(tǒng)的精度和調(diào)節(jié)能力，本文選擇ADI的AD5791作為DAC，該DAC具有20 bit分辨率，1 μs建立時(shí)間，滿(mǎn)足大部分科研項(xiàng)目要求，且支持雙極性輸出，應(yīng)用更加廣泛，其硬件電路如圖5所示。

AD5791是一款高精度、快速建立、單通道電壓輸出DAC，分辨率可達(dá)10-6，此類(lèi)DAC對(duì)基準(zhǔn)和電源要求較高，內(nèi)部無(wú)緩沖，所以在硬件設(shè)計(jì)中加入了外部緩沖電路，保證電壓控制型號(hào)的穩(wěn)定和精準(zhǔn)。

2.2.3 誤差放大電路

電流源在輸出時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)隨著環(huán)境的變化產(chǎn)生波動(dòng)，為了保持輸出的穩(wěn)定，就需要設(shè)計(jì)電路在輸出信號(hào)波動(dòng)的時(shí)候可以自動(dòng)調(diào)整控制型號(hào)，保證輸出的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)使用誤差放大電路解決這個(gè)問(wèn)題，硬件設(shè)計(jì)如圖6所示。

解決波動(dòng)可以使用數(shù)字或模擬兩種方式解決，數(shù)字電路反應(yīng)速度嚴(yán)重依賴(lài)于硬件處理速度，且電路復(fù)雜，模擬電路反應(yīng)迅速且電路簡(jiǎn)單，對(duì)于本系統(tǒng)環(huán)境，使用模擬電路解決更為適合。

誤差放大電路的作用是通過(guò)比較取樣電壓，亦稱(chēng)反饋電壓與基準(zhǔn)電壓之間的誤差值來(lái)產(chǎn)生誤差電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)晶體管的壓降，使輸出電壓維持不變，在基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定的前提下，誤差放大器是影響線性穩(wěn)壓器性能的關(guān)鍵因素。

差分輸入式放大器的簡(jiǎn)化電路如圖7所示。

AD8675具有極低電壓噪聲、軌到軌輸出擺幅和低輸入偏置電流的優(yōu)點(diǎn)，且電源抑制比和共模抑制比都可以達(dá)到130 dB以上，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)的采樣功能，是保證系統(tǒng)性能主要的模塊，其硬件設(shè)計(jì)電路如圖8所示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用CS5532，它采用電荷平衡技術(shù)，有24位性能，對(duì)科研醫(yī)療應(yīng)用中測(cè)量低電平單極或雙極信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)包含超低噪、斬波穩(wěn)定式測(cè)量放大器、數(shù)字濾波器和四階Delta Sigma調(diào)制器，具有出色的性能和穩(wěn)定性，足以應(yīng)對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

CS5532的基準(zhǔn)電壓同樣由LM399經(jīng)運(yùn)放調(diào)理得出，與AD5791使用同一基準(zhǔn)源，統(tǒng)一基準(zhǔn)性能的同時(shí)，這種設(shè)計(jì)方式可以在系統(tǒng)遇到異常情況時(shí)輸出控制和輸入采樣所遭遇的偏差一致，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 軟件控制部分

數(shù)字控制器采用意法半導(dǎo)體的高性能MCU STM32 F407VE，該MCU具有高達(dá)168 MHz的主頻和192 kB內(nèi)部RAM空間，包含3個(gè)硬件SPI模塊，用于與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的通信和控制，同時(shí)該MCU支持DSP指令，使數(shù)據(jù)處理的性能大大增加，系統(tǒng)反饋速度更快、更及時(shí)。

軟件控制部分設(shè)計(jì)框圖如圖10所示。

系統(tǒng)上電開(kāi)始，軟件首先進(jìn)行硬件的初始化工作，并配置系統(tǒng)硬件到安全狀態(tài)，配置完成后，啟動(dòng)用戶(hù)界面，等待用戶(hù)操作。系統(tǒng)在輸出狀態(tài)會(huì)先輸出一個(gè)接近設(shè)定值的初始輸出值，由于輸出的是電流信號(hào)，實(shí)際輸出信號(hào)會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，軟件不斷通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)回讀輸出值，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出調(diào)節(jié)值。計(jì)算選擇PID算法，PID算法是動(dòng)態(tài)控制過(guò)程比較常用的算法，經(jīng)過(guò)調(diào)教，算法能夠在動(dòng)態(tài)過(guò)程中快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地得到良好的效果。使用算法得出的調(diào)節(jié)值能夠再控制信號(hào)輸出系統(tǒng)調(diào)整輸出信號(hào)，保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定性和高精度。

2.4 電流源高精度的實(shí)現(xiàn)

2.4.1 控制電壓

控制電壓由AD5791經(jīng)過(guò)外部緩沖電路輸出初始信號(hào)，基于AD5791和LM399基準(zhǔn)電壓的性能保證信號(hào)的穩(wěn)定性，LM399基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)AD8675運(yùn)放搭建的調(diào)節(jié)電路輸出10 V基準(zhǔn)電壓，AD5791可輸出（0～10）V 的控制電壓。AD5791的零點(diǎn)誤差可以通過(guò)數(shù)字輸入補(bǔ)償，不會(huì)引起輸出誤差。

誤差放大電路由AD8675儀用放大器搭建，該運(yùn)放噪聲極低，偏置很小，并可通過(guò)AD5791補(bǔ)償部分中和，這部分誤差不會(huì)影響系統(tǒng)指標(biāo)。

2.4.2 輸出采樣系統(tǒng)

當(dāng)電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)之后，進(jìn)入調(diào)理電路，調(diào)理到合適的電壓范圍，即可使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。CS5532具有24 bit分辨率，采樣誤差在10-6內(nèi)，保證系統(tǒng)性能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用FLUKE公司的8位半數(shù)字表8508A和精度為10-6的電流傳感器對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，高穩(wěn)定性大電流信號(hào)源系統(tǒng)在較大的輸出范圍下能保證高精度和高穩(wěn)定性，可以為工作人員設(shè)計(jì)系統(tǒng)、測(cè)試電路提供更多便利，目前已應(yīng)用在計(jì)量校準(zhǔn)工作中。

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