一種可PWM 調(diào)制的恒流源電路

李貴嬌，魯爭(zhēng)艷，李金寶，周蕾

（中國(guó)兵器工業(yè)第214所，江蘇蘇州，215163）

0 引言

PWM 即脈沖寬度調(diào)節(jié)機(jī)制，脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中[1]。在當(dāng)前許多電路系統(tǒng)中，都會(huì)用到恒流源。恒流源是指能夠向負(fù)載提供穩(wěn)定電流的電源，是一種寬頻譜、高精度的直流穩(wěn)流信號(hào)源，具有響應(yīng)速度快、恒流精度高、穩(wěn)定持久、適應(yīng)各種負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)[2]。

恒流源在電子測(cè)量、傳感器技術(shù)、儀器儀表等領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用。在電子測(cè)量領(lǐng)域，電流型DAC 將恒流源切換到電阻網(wǎng)絡(luò)中，恒流源內(nèi)阻極大，相當(dāng)于開(kāi)路，所以能減小電子開(kāi)關(guān)對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響，提高電流型DAC 的轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度[3]。在傳感器領(lǐng)域，恒流源有著非常廣泛的應(yīng)用。某氣體測(cè)量傳感器由半導(dǎo)體氣敏材料制作，采用電橋電路的方式，但是電橋電路的輸出與傳感器的輸出并不成線性關(guān)系，所以采用恒流源的方式作為氣敏半導(dǎo)體傳感器的驅(qū)動(dòng)，具有高線性度的效果[4]。在儀器儀表領(lǐng)域中，恒流源可用于校驗(yàn)高精度電流表。在某些精密測(cè)量中，使用恒流源不僅能提高測(cè)試精度，增加儀表的使用期限，而且還可以減少反向電流變大造成的被測(cè)儀器儀表的損壞[5]。

現(xiàn)有的恒流源技術(shù)很少有將恒流源與PWM 調(diào)控融為一體的，即使融為一體，成本也是比較高的。目前可PWM 調(diào)制的恒流源電路設(shè)計(jì)一般采用專(zhuān)用的電源芯片或者數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于高端應(yīng)用場(chǎng)合還是比較理想的[6]。但對(duì)于一些低成本需求的場(chǎng)合，只需要產(chǎn)生恒流源的應(yīng)用需求，數(shù)字化控制芯片需要額外的電源和復(fù)雜的隔離方式，電路復(fù)雜，成本比較高，無(wú)法滿足低成本需求場(chǎng)合。因此，本文設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、成本低的可PWM 調(diào)制的恒流源電路。

1 原理與設(shè)計(jì)

可PWM 調(diào)制的恒流源電路由三部分組成，具體由幅度調(diào)整電路、電壓提取電路、恒流輸出電路組成，電路原理框圖如圖1 所示。

圖1 可PWM 調(diào)制的恒流源電路原理框圖

幅度調(diào)整電路把頻率6kHz、高電平3.3V、低電平0V的PWM 輸入信號(hào)調(diào)整成頻率6kHz、高電平10V、低電平-10V 的矩形波信號(hào)。電壓提取電路對(duì)頻率6kHz、高電平10V、低電平-10V 的矩形波信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到與頻率6kHz、高電平10V、低電平-10V 的矩形波信號(hào)占空比成正比的直流電壓信號(hào)。恒流輸出電路把直流電壓信號(hào)通過(guò)差分電路轉(zhuǎn)換成恒定的直流電流信號(hào)。下面具體介紹各部分電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。

■1.1 幅度調(diào)整電路

幅度調(diào)整電路原理圖如圖2 所示。

圖2 幅度調(diào)整電路原理圖

由模擬開(kāi)關(guān)ADG433 和外圍阻容組成幅度調(diào)整電路。ADG433 是一款單芯片CMOS 器件，內(nèi)置四個(gè)獨(dú)立可選的開(kāi)關(guān)。它采用增強(qiáng)型LCMOS 工藝設(shè)計(jì)，具有低功耗、高開(kāi)關(guān)速度和低導(dǎo)通電阻特性。ADG433 有兩個(gè)開(kāi)關(guān)的接通條件是相關(guān)控制輸入為邏輯高電平，而其他兩個(gè)開(kāi)關(guān)的控制邏輯則相反。接通時(shí)，各開(kāi)關(guān)在兩個(gè)方向的導(dǎo)電性能相同，輸入信號(hào)范圍可擴(kuò)展至電源電壓范圍。所有開(kāi)關(guān)均為先開(kāi)后合式，適合多路復(fù)用器應(yīng)用。設(shè)計(jì)本身具有低電荷注入特性，當(dāng)開(kāi)關(guān)數(shù)字輸入時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較小的瞬變[7]。

ADG433 的最大額定電源電壓為44V，模擬信號(hào)范圍為-15V ～15V，導(dǎo)通電阻為24Ω，功耗小于3.9μW，TTL/CMOS 兼容型輸入，開(kāi)關(guān)時(shí)間很快，接通時(shí)間小于165ns，斷開(kāi)時(shí)間小于130ns，采用16 引腳DIP 和SOIC 封裝，可替代ADG411/ADG412/ADG413 等型號(hào)產(chǎn)品[8]。

輸入PWM 波形頻率6kHz、高電平3.3V、低電平0V。當(dāng)輸入PWM 信號(hào)為0V 時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)的D1、S1 斷開(kāi)，D2、S2 接通，輸出信號(hào)PWM_OUT 為10V。當(dāng)輸入PWM信號(hào)為3.3V 時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)的D1、S1 接通，D2、S2 斷開(kāi)，輸出信號(hào)PWM_OUT 為-10V。輸入PWM 信號(hào)和輸出PWM_OUT 信號(hào)波形圖如圖3 所示。

圖3 PWM 輸入輸出信號(hào)

■1.2 電壓提取電路

電壓提取電路原理圖如圖4 所示。電壓提取電路由電壓跟隨器、VCVS(壓控電壓源)低通濾波器、分壓電路組成。其中，電壓跟隨器、VCVS(壓控電壓源)低通濾波器由雙路運(yùn)算放大器TL082 實(shí)現(xiàn)。

圖4 電壓提取電路原理圖

雙路運(yùn)算放大器TL082 是一款以JFET 為前置放大器的集成運(yùn)算放大器，因此具有很高的輸入阻抗和高達(dá)13V/μs 的壓擺率以及很低的總諧波失真。另外，雙路運(yùn)算放大器TL082 還具有低功耗，寬共模和差分電壓范圍，輸出短路保護(hù)等優(yōu)良特性，因而得到廣泛的應(yīng)用。雙路運(yùn)算放大器TL082 采用8 引腳封裝工藝[9]。

雙路運(yùn)算放大器TL082 最大工作電壓36V，最小工作電壓7V。雙路運(yùn)算放大器TL082 典型帶寬為3MHz，輸入失調(diào)電壓最大為6mV，失調(diào)漂移為18μV/℃，輸入偏置電流最大為200pA。雙路運(yùn)算放大器TL082 共模抑制比最小為75dB，典型噪聲電壓為18μV[10]。

雙路運(yùn)算放大器TL082 的一路用作電壓跟隨器，用于調(diào)節(jié)信號(hào)的輸入輸出阻抗。雙路運(yùn)算放大器TL082 的另一路用作VCVS(壓控電壓源)低通濾波器，由片式電阻R1、片式電阻R2、片式電容C1、片式電容C2 組成二階低通濾波器。

VCVS(壓控電壓源)低通濾波器的截止頻率、帶外倍頻程抑制、帶內(nèi)不平坦度是電路的關(guān)鍵參數(shù)，且要求較高。針對(duì)截止頻率、帶外倍頻程抑制、帶內(nèi)不平坦度等指標(biāo)，將低通濾波器設(shè)計(jì)成過(guò)渡帶窄的切比雪夫型濾波器，這樣可以獲得良好的帶外抑制特性和較為精確的截止頻率。為了滿足帶外倍頻程抑制、帶內(nèi)不平坦度的要求，將VCVS(壓控電壓源)低通濾波器設(shè)計(jì)成二階低通濾波器。同時(shí)，為了滿足小體積集成需要，電路設(shè)計(jì)時(shí)從簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)和便于調(diào)試兩方面考慮，選擇元器件較少的VCVS(壓控電壓源)型二階低通濾波器實(shí)現(xiàn)低通濾波單元設(shè)計(jì)。VCVS(壓控電壓源)型二階低通濾波器的特點(diǎn)是選擇性好，帶外衰減陡峭，弱點(diǎn)是帶內(nèi)有波動(dòng)。通過(guò)歸一化方法合理選擇參數(shù)，可以將波動(dòng)控制在很小的范圍內(nèi)[11]。

低通截止頻率計(jì)算公式：

當(dāng)R1=R2=20kΩ，C1=C2=1nF 時(shí)，計(jì)算得到fc=800Hz。

可見(jiàn)，VCVS(壓控電壓源)型二階低通濾波器的截止頻率為800Hz。因而，輸入頻率6kHz、高電平3.3V、低電平0V 的PWM 信號(hào)時(shí)，頻率6kHz、高電平3.3V、低電平0V的高頻信號(hào)被完全濾除，僅輸出與占空比成正比的直流電壓信號(hào)。通過(guò)改變占空比（0-100%）調(diào)節(jié)直流電壓大小，占空比越高直流電壓越大。

VCVS( 壓控電壓源)型二階低通濾波器在模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其并不能滿足該VCVS 型二階低通濾波器截止頻率、帶內(nèi)波動(dòng)的技術(shù)性能要求，因而需要對(duì)該參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。對(duì)VCVS 型二階低通濾波器進(jìn)行調(diào)試，主要是對(duì)VCVS 型二階低通濾波器的增益和截止頻率進(jìn)行調(diào)試。一般先對(duì)VCVS 型二階低通濾波器的增益進(jìn)行調(diào)試，后對(duì)VCVS 型二階低通濾波器的截止頻率進(jìn)行調(diào)試。對(duì)VCVS 型二階低通濾波器增益的調(diào)試規(guī)律為：增大VCVS 型二階低通濾波器的增益可通過(guò)增大片式電阻R1、片式電阻R2 實(shí)現(xiàn)，減小VCVS 型二階低通濾波器增益可通過(guò)減小片式電阻R1、片式電阻R2 實(shí)現(xiàn)。對(duì)VCVS 型二階低通濾波器截止頻率的調(diào)試規(guī)律為：增大VCVS 型二階低通濾波器截止頻率可通過(guò)減小片式電阻R1、片式電阻R2實(shí)現(xiàn)，減小VCVS 型二階低通濾波器截止頻率可通過(guò)增大片式電阻R1、片式電阻R2 實(shí)現(xiàn)。

分壓電路由片式電阻R3、片式電阻R4、片式電容C3組成，由片式電阻R3、片式電阻R4 的阻值決定分壓后輸出電壓大小。當(dāng)R3=R4=30kΩ，輸出電壓V(FY_OUT)=V(LPF_OUT)*R4/(R3+R4)= V(LPF_OUT)/2。也就是說(shuō)，分壓電路把輸入電壓V(LPF_OUT)減小一半后得到輸出電壓V(FY_OUT)，達(dá)到信號(hào)衰減的效果，以利于后續(xù)電路的處理。

■1.3 恒流輸出電路

可PWM 調(diào)制的恒流輸出電路原理圖如圖5 所示。恒流輸出電路由電壓跟隨器、推挽輸出電路、減法器三部分組成。其中，電壓跟隨器和減法器由雙路運(yùn)算放大器TL082 實(shí)現(xiàn)。

圖5 恒流輸出電路原理圖

減法器由雙路運(yùn)算放大器TL082（代號(hào)N5B）和片式電阻R11、片式電阻R12、片式電阻R13、片式電阻R14 組成差分放大器，其中，片式電阻R11、片式電阻R12、片式電阻R13、片式電阻R14 需要采用精度為0.1%的高精度電阻，輸入輸出關(guān)系如下所示：

VP=V1*R13/(R11+R13)

(V2-VP)/R12=(VP-VO)/R14

因R11=R12，R13=R14，故VO=(R13/R11)(V1-V2)。

當(dāng)R11=200kΩ，R13=470kΩ時(shí)，VO=2.35(V1-V2)。

可見(jiàn)，減法器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓V1 和V2 的差放大2.35倍的功能。

當(dāng)輸入PWM 占空比100%時(shí)，V(FY_OUT)=4.58V。

VO= V(FY_OUT)=4.58V，V1-V2= VO/2.35=1.95V。

當(dāng)R10=39Ω時(shí)，IO=(V1-V2)/ R10=1.95V/39Ω=50mA。

當(dāng)輸入PWM 占空比0%時(shí)，V(FY_OUT)=-4.58V。

VO= V(FY_OUT)=-4.58V，V1-V2= VO/2.35=-1.95V。

當(dāng)R10=39Ω 時(shí)，IO=(V1-V2)/ R10=-1.95V/39Ω=-50mA。

可見(jiàn)，可PWM 調(diào)制的恒流源電路通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 占空比對(duì)輸出電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，電流輸出范圍為-50mA ～50mA。當(dāng)輸入PWM 占空比0%時(shí)，輸出電流-50mA；當(dāng)輸入PWM占空比100%時(shí)，輸出電流50mA。

2 實(shí)驗(yàn)

對(duì)可PWM 調(diào)制的恒流源電路輸入不同占空比的PWM信號(hào)，使可PWM 調(diào)制的恒流源電路輸出不同大小的電流，然后計(jì)算可PWM 調(diào)制的恒流源電路的電流輸出精度，其結(jié)果如表1 所示。

表1 可PWM調(diào)制的恒流源電路電流輸出精度計(jì)算表

占空比20%指的是輸入20%占空比的PWM 信號(hào)時(shí)恒流源輸出的電流大小，符號(hào)為I1，單位為mA。占空比50%指的是輸入50%占空比的PWM 信號(hào)時(shí)恒流源輸出的電流大小，符號(hào)為I2，單位為mA。占空比80%指的是輸入80%占空比的PWM 信號(hào)時(shí)恒流源輸出的電流大小，符號(hào)為I3，單位為mA。電流輸出精度指的是占空比20%輸出電流精度和占空比80%輸出電流精度的較大值，符號(hào)為E，單位為mA。

從表1 可以看出，可PWM 調(diào)制的恒流源電路輸出電流精度優(yōu)于±0.4mA，達(dá)到了較高的精度，可以滿足大部分場(chǎng)合對(duì)恒流源精度的要求。

3 結(jié)論

一種可PWM 調(diào)制的恒流源電路利用模擬開(kāi)關(guān)、運(yùn)算放大器、三極管等常用模擬器件構(gòu)成精密恒流源電路，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 占空比對(duì)輸出電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、高精度輸出等優(yōu)點(diǎn)，特別適合一些低成本需求的場(chǎng)合。