一种高精度的电流源设计

1、第九届ICEMI国际电子测量与仪器会议ICEMI'2009一种高精度电流源的设计于鹏 王彦超 夏少军哈尔滨工业大学92号西大直街哈尔滨，150001,中国电子邮箱：摘要一一电流源是电气测量和控制系统的关键部件之一。然而，由温度漂移和其 它干扰引入的噪声，使其成为系统误差的重要来源。为了制定一个精度高、稳定性好的 电流源，本文提出一种基于Howland的电压电流转换（V/I）电路。电流源所使用的DSP RS-232接口是完全可编程的。止匕外，还有一个采样电路，利用抽样结果，使校准进一 步减少电流源输出误差。实验结果表明，在 140欧姆的恒定负载下，电流输出范围为 -50mA至50mA,误

2、差小于3 pA,并且具有较低的温度漂移和较小波形失真度。这为 设计一种精确度高、输出电流变化范围稳定的电流源提供了一种有效的方法。关键词电流源；Howland ;校准一、引言随着科技的进步，精密的电流源在自动测试、测量以及各种应用中起着日益重要的 作用。然而，要满足高精确的目标，然而，要满足高精度的目标，并且保持输出稳定， 这一点随温度的升高而变得越来越困难。在所有的应用中，目前大部分测量领域中使用的精度高和输出稳定的电流源，都是 电压控制型电流源（VCCS）。由于超精密运算放大器的运用，使得 VCCS的电流输出 精度高，且稳定。但是，电流源输出范围往往有限，而且由温度和非线性引入的误差也 是

3、一个很大的难题。图1显示的一个电路，它也被称为 Howland模型，采用电阻匹配实现反馈回路， 从而使负载两端电流输出稳定3。它采用了超精密运算放大器OP177生成精确和稳定 的电流输出。尽管OP177在精确度性能方面远胜其它任何运算放大器，但其输出范围 只局限于-22mA? 32mA4。KiI'L J1咿W+R,IG Amp；vAti 图1Howland 电流源为了更好地解决这一难题，精度高、宽范围和输出稳定的电流源的设计便自然而然 的被提出来。由D / A模数转换器产生一个电压，然后将电压转换为电流。最后，通过 检测输出电流，对输出进行校准。V/I电路（电压转换成电流电路）对系统的

4、设计是至关重要，然而，在图 1电路, 采用OP177提供超精密和稳定的电流输出，不能满足我们要求宽输出范围。在这种情况下，一种可以增强传统Howland电路模型输出范围模型电路一一“改进型 Howland” 模型便被提出了。为了进一步消除错误，需要采用闭环控制结构。相比开环控制，本方法使用一个采 样电路完成反馈回路，并保持稳定的输出。使用这种控制结构不仅保证了稳定性和精度， 而且消除了温度漂移的影响、延长了电流源的使用寿命。然而，这些用于改进电流源电路方法，需要在实际中进行验证。根据我们理论设计 出来的实用的电流源，已在第二部分进行了介绍。虽然这些描述只给一个指导性的原则， 但这对于介绍第三部

5、分的软件设计时，是不可缺少的。最后，第四部分和第五部分论证 了基于该理论方法下的电流源，并在不同的测试中均表现出较为良好的性能。二、硬件设计本文讨论的电流源是一个自动测试系统，它电流输出是可编程的。因此，D/A转换和V /I转换电路的Howland模型仅是设计的一部分。图2显示了我们设计的控制结构。如图所示，第一阶段是一个开环电流发生器，D/A 转换器的输出电压直接连接 V /I转换电路，通过一个控制器，直接由电脑控制。第二阶 段，相反，提供了采样电路，它可以用来纠电路输出后所产生的的误差。图2电流源设计的控制结构该设计可以分为三个部分：控制电路、电流发生器和取样电路。图3显示了电流源的控制单

6、元框图。 控制电路接收来自计算机的信息，然后设置通 道和输出值。止匕外，控制电路接到采样值后，执行对输出电流反馈控制。为了实现这些 功能，控制电路不仅应该有一个计算能力， 而且也有很强的逻辑控制能力，以确保A / D 转换和D /A转换器工作正常。Control UnitD converterA converter其 trum Ampitch图一一3电流源的控制单位但是，利用普通的DSP来进行复杂的逻辑控制是很困难的，同时，可编程门阵列 电源的计算能力（FPGA）的也不适合计算，单独使用其中之一都难以满足系统要求。 最后，德克萨斯仪器公司（TI）的DSPTMS320LF2407被选择作为控制电

7、路的核心， 逻辑控制电路基于Altera的FPGAEP1C6Q240 。命令和数据之间的沟通，实现了通过 16位地址和数据总线。这个电流源发生器使用了一个由16位D / A转换器构成的改进型Howland模型， 来将输入电压转换成输出电流。如上讨论，一个 FPGA控制D/A转换器，其输出值可 通过DSP的计算机设置。由于受温度漂移，非线性和其他噪声引起的误差是难以避免 的，采样电路，以提供完整的反馈回路，校准输出电流存在的误差，从而保持了良好的 输出。采样电路由采样电阻、仪表放大器和A /D转换器组成，这些组件也受 FPGA控制，并将结果发送给DSP,以做下一步的应用。以上的介绍阐述了我们设计

8、的工作原 理，接着我们将详细介绍本设计细节。A、电流发生器电流发生器在电流源中起着关键的作用。它采用一个 D /A转换器和V /I转换电路， 其数字值转换为模拟电流输出，。在此电路中，DA7734被选中为16位D/A转换器，。 它具有高精度、低失真以及低温度漂移。数字输入“ N”和电压输出“ Vout”之间的关 系可以如下描述：(2 1)(VrefH VrefL) NVout VrefL 65536VrefH和“讦1是DA7734的高/低参考电压。在我们的设计中，这些值分别被配置为+5 V 和-5V。因此，DA7734输出范围为-5V 到+5 V ,分辨率为0.103mV/LSB。 V /I转

9、换电路是基于Howland模型，该模型已在第一章有所介绍，改进的Howland模型 引入不影响输出电流的精度，增加了电流源输出范围，并加强对驱动器的负载能力。图 4显示了这个V /I转换电路原理图。图4 基于Howland电流源改进的 V/I转换电路正如图所示，Ui是控制电压，而Io是输出负载RL的电流。A2和A3都是电压跟随 器。不过，A3与取样电阻Rsi串联，这与R0相同，这确保了输出电流I01和I02都是恒定 的，两者整个输出电流Io值的一半。这个结构是基于这样的考虑：类似于 OP177的放 大器无法满足足够高的输出电流。例如，OP177在最大输出电压输出时，也只能提供了 一个32mA的

10、输出电流，这当然是无法满足我们的设计输出范围的需求。假设这两款放大器是理想的，节点电压关系如下：U3 U 0 (1)R2八 cUi ?U2 (2)R4 R2U1 U3 U1 U1 ,、 (3)R3Ri如果R1=R2= R3=R4,由(1) (2) (3),可以很容易地得出以下负载电流的表达式：(4), U2 Uo 2U1I 0 I 01 I 02 2RsRs从这个公式，我们可以看到，输出电流与负载Rl无关。然而，OP177输出电压范围只有土 13.5V (当电源电压为土 15V),因此，当负载大于140?,输出电流不能达到设计± 50mA范围。为了解决这个问题，在R1和R3之间，我们

11、可以修正比例系数，因为： (5),U2 U0 c 3R1 U1|0 3RsR3 Rs这样，我们可以提高电流源的驱动能力，而不会影响电流的输出范围。B、取样电路设计面对各种噪声，数字校准器可以用来帮助整个系统获得了较好的性能，这一点是模 拟电路自身无法提供的。为了实现电流源的校准数字化，设计取样电路是为了获取输出 电流值。并将其转换为数字量的电流值，这样就可以很容易进行校正。在我们的设计中， 虽然改进的Howland模型的特点是精度高输出，但这无反馈的电路结构，很难保证电 流稳定的输出5。因此，我们提出了一个高精度采样电路，与 DSP 一致，对输出电流 进行数字补偿。设计采样电路的原则，是为了确

12、保在不影响原电路的电流输出的前提下， 获取高分辨率以及低测量误差。采样电路包括信号放大和模拟数字转换电路。信号放大 电路是基于低通滤波器和仪表放大器，提取样品电阻之间的差异小的电压，而抑制共模 电压。由于这种测量基于欧姆定律，精度高、温度系数低的采样电阻是必要的6。在这个设计中，我们选择了静态误差为0.1%,温度漂移系数5ppm/C。数字转换电路的模拟是基于一个24位A/D转换器的AD7734。要测量的信号是采样电阻两端的电压，因此必须限制其两端的共模信号。此时，闭 环增益的仪表放大器，提取微分信号的同时滤去常见的信号。为了确保采样电路的精度， PGA204选择为差分彳S号放大。PGA204是

13、美国增益可编程仪表放大器，具高 CMR和 低失调误差使得成为我们的设计中理想的放大器。为了抑制常见的50Hz频率的干扰，我们设计了一个低通滤波器电路，如图 5所示。图5低通滤波电路的放大部分结构在这个电路图中，Ra和Ca, Rb和Cb组成一个差分输入低通滤波器。该电阻和电 容值是完全一样的。任何不匹配的值都可能会导致共模误差。 为了避免这种情况的影响， 电容C2设计进入到电路，具值是10倍Cao A /D转换器的采样电路的核心，其参数直接关系到采样电路的性能。在对精度和稳定性考虑的基础之上，本设计使用型A /D转换器AD7734。它的分辨率为24位，非线性输出低于15ppm ,温度漂移系数小于

14、 5ppm/ C ,所有这些功能可以充分满足采样电路的要求。AD7734芯片包括模式寄存器、通信寄存器、数据寄存器等。通过这些寄存器，我们可以设置输入范围，采样率，输出芯片的模式。通过AD7734通信寄存器，可操作所有的设置。为了操作 A/D转换器，我 们开发了基于FPGA的控制逻辑电路。转换过程的介绍如图6。图6 AD7734的转换顺序图1）启动A / D转换，在“接收设置”期间，控制逻辑接收配置数据，这是用于设置 A/D转换器转换模式；2）接收配置数据后，控制逻辑进入“写入通信寄存器”状态。在此期间，写控制 逻辑通过串行接口（ SCLK）写入AD7734的通信寄存器，因此，表示寄存器准备开

15、始 运转，并且下一个操作是读或写；3）在通信寄存器写入的数据的基础上， 程序进入“寄 存器写模式”状态。控制逻辑写入数据，这些数据是从AD7734的模式选择寄存器的程序1接收到的配置数据，以确保 A / D转换过程在特定的模式；4）设置转换模式后，启 动A /D转换。当转换结束时，控制逻辑来到这个“接收采样数据”和“输出采样数据” 状态。然后，转换数据通过 AD7734的串行通信接口发送回的FPGA。接着，转移到 DSP的FPGA为进一步计算采样数据；5）输出样本数据后，控制逻辑返回到“等待” 状态的命令，等待下一次转换输出。三、软件开发设计中的控制软件是基于数字信号处理器 TMS320F24

16、07 ,使用C语言编程。该软 件设置输出电流，并利用反馈算法的值进行补偿。因此，软件的设计方案，包括输出电 流反馈控制方案，该软件的主要程序如图 6中所示： A、电流输出程序电流输出主要有两个功能块。其一是来自计算机的信息，然后翻译信息给控制设置， 并通过FPGA把信息传递到D /A转换器，另一种功能是接受采样电路采样数据，然后 校正输出电流。在开始时，DSP通过计算机串行通信接口（ SCI）得到指令和数据，再 经过解码，将信息通过16位数据和地址总线传输到FPGA。此过程是通过从DSP的信 号控制“读/写”和“启用”。图8电流源的控制软件流程图然后，由DSP提供的信息为基础，用于配置 FPG

17、A的控制和数据的D /A转换器， 就此，输出控制寄存器就可以实现了。B、反馈控制程序为了进一步消除环境因素带来的误差，建立了反馈控制结构。据抽样结果，我们设 计了反馈控制程序，该软件在 DSP上运行，以补偿输出电流。基于此思路，我们可以 使用后续理论设计闭环控制方案。1）在同一时间设置增益仪表放大器， 选才¥ A / D转换 模式；2）比较采样电路与设定值的结果，它们的区别就是输出误差；3）根据输出误差， 计算补偿数值，修正的D/A转换器的输入值，改变了输出电压，从而纠正了输出电流； 4）重复步骤（2）,当电流输出误差足够小，停止程序，否则重复，直到输出电流能满 足精度要求的程序（3

18、）。（改到这了）四、试验与结论为了进一步验证设计，我们进行了各种测试电流源的实验。这些实验验证了输出范 围、准确性和电流源的时间稳定性。我们的测试包括三个主要步骤：第1步：在室温下， 用HP34401A万用表电阻把高50?放置到电流源电路的输出串联回路中，设置为 100 业A, 1mA , 10mA , 50mA的电流输出，及相应的负值，读出万用电表上显示的输出电 流值。每个测试重复十次获得一个中间值。第 2步：保持输出电流不变，用同样的方法 来测试24小时后其误差。第3步：执行反馈控制程序，然后重复第 1步，没有反馈控 制时比较结果，验证了该反馈控制结构的有效性。总的准确性，稳定性和温度系数

19、在反 馈控制中得到获取。表一测量结果项目试验结 果（无反馈）试验结 果（有反馈）整体精 度土（满刻度 百分比）1天的稳 定性土（满刻 度白分比）温度系 数土（装置的 白力分之一）100 科 A102.8 科A101.2 科A0.0120.015401mA1.004mA1.001mA0.0100.0203510mA10.005 mA10.001 mA0.0100.0303050mA50.009 mA50.004 mA0.0400.05025-100 A-96.7 科 A-98.7 科 A0.0130.01740-1mA-996.5-998.5A0.0150.02035-10mA-9.994mA-9.997mA0.0300.02030-50mA-49.992 mA-49.995 mA0.0500.06030最后，结果表明，该电流源的输出范围为-50mA至50mA时，反馈控制模块作用 后