本發(fā)明涉及一種電源裝置，具體地說是一種便攜式寬量限的高穩(wěn)定度恒流源。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，科研部門和工業(yè)企業(yè)對(duì)恒流源的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度均提出了更高的使用要求。例如，在研究量子質(zhì)量基準(zhǔn)定義千克單位的方案中以及在功率天平方案中，都需要用到輸出電流1mA、穩(wěn)定度高于1ppm的恒流源。另外，在超導(dǎo)磁鐵系統(tǒng)中，為了產(chǎn)生磁場(chǎng)，需要給超導(dǎo)線圈提供恒定的電流，并且穩(wěn)定度要求在10ppm量級(jí)。

現(xiàn)有國內(nèi)市場(chǎng)上使用的恒流源的準(zhǔn)確度等級(jí)只在10^-4量級(jí)，穩(wěn)定性也只有10^-5量級(jí)。

目前在中國計(jì)量院已經(jīng)有了滿足這些精度要求的恒流源裝置，但其體積大，整體要分裝在三個(gè)不同的箱子中，不便于攜帶，屬于實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，沒有批量化和小型化的產(chǎn)品。該恒流源裝置通過低負(fù)載效應(yīng)采樣電阻，加上高精度處理芯片以以及外圍電路，并串聯(lián)多級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管，用于自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載變化時(shí)的電流輸出，保持輸出的電流不變。

控制恒流源、調(diào)整管壓降的傳統(tǒng)做法有三種。第一種是根據(jù)調(diào)整管壓降的大小，采用波段開關(guān)更換分檔變壓器抽頭。其缺點(diǎn)是，所用分檔變壓器的抽頭較多，一般需要特殊制作；而且，波段開關(guān)切換瞬間會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾，影響電流的穩(wěn)定度。由于變壓器各抽頭電壓并非絕對(duì)均勻，這就造成波段開關(guān)切換前后，調(diào)整管的壓降存在有一定的差別，從而影響恒流源的穩(wěn)定度。第二種是根據(jù)調(diào)整管壓降控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過機(jī)械減速裝置帶動(dòng)調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸入電壓。其缺點(diǎn)是需要設(shè)計(jì)機(jī)械減速裝置和復(fù)雜的電機(jī)控制電路，系統(tǒng)龐大笨重；而且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將對(duì)恒流源產(chǎn)生干擾。第三種是將開關(guān)穩(wěn)壓電源與串聯(lián)反饋式恒流源相串聯(lián)組成自動(dòng)反饋系統(tǒng)，根據(jù)恒流源調(diào)整管壓降，自動(dòng)調(diào)節(jié)開關(guān)電源調(diào)整管的開關(guān)頻率或觸發(fā)時(shí)間，從而調(diào)節(jié)開關(guān)電源的輸出電壓，使恒流源調(diào)整管壓降保持恒定。這種方法可連續(xù)調(diào)節(jié)調(diào)整管壓降，不會(huì)造成電流突變。但是因?yàn)榍凹?jí)電路為開關(guān)電源，無論是用可控硅調(diào)相斬波電路還是用三極管逆變電路，由于開關(guān)電源調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，因此輸出電壓不可避免地帶有開關(guān)頻率的諧波，從而影響了恒流源輸出電流的穩(wěn)定度和紋波特性，嚴(yán)重時(shí)有可能污染電網(wǎng)，造成其他用電設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種便攜式寬量限的高穩(wěn)定度恒流源，以解決傳統(tǒng)恒流源調(diào)整管壓降控制電路電壓不均勻和切換前后電流變化較大的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種便攜式寬量限的高穩(wěn)定度恒流源，包括有：

ARM單片機(jī)系統(tǒng)，分別與觸摸屏模塊、升壓模塊、DA控制模塊、負(fù)反饋放大模塊、溫度測(cè)量和保持模塊相接，用于接收用戶的電流設(shè)置并把設(shè)置后的計(jì)算結(jié)果輸出給DA控制模塊；

觸摸屏模塊，與ARM單片機(jī)系統(tǒng)相接，用于和用戶之間的交互；

升壓模塊，分別ARM單片機(jī)系統(tǒng)和DA控制模塊相接，用于調(diào)節(jié)精密電壓基準(zhǔn)輸出；

DA控制模塊，分別與ARM單片機(jī)系統(tǒng)、升壓模塊和恒流源調(diào)整模塊相接，用于調(diào)整反饋電路的輸入電壓；

負(fù)反饋放大模塊，分別與ARM單片機(jī)系統(tǒng)和恒流源調(diào)整模塊相接，用于恒流源調(diào)整模塊的驅(qū)動(dòng)；

恒流源調(diào)整模塊，分別與負(fù)反饋放大模塊、DA控制模塊、采樣電阻模塊、電流補(bǔ)償模塊檢測(cè)模塊、溫度測(cè)量和保持模塊相接，用于調(diào)整電流輸出；

溫度測(cè)量和保持模塊，分別與ARM單片機(jī)系統(tǒng)和恒流源調(diào)整模塊相接，用于測(cè)量調(diào)整模塊由于溫度帶來的溫漂，并對(duì)洹流進(jìn)行調(diào)整，消除由于調(diào)整模塊因溫度上升帶來的輸出誤差；

電流補(bǔ)償模塊，與恒流源調(diào)整模塊相接，用于提供系統(tǒng)的恒流輸出的電流維持；

采樣電阻模塊，分別與恒流源調(diào)整模塊和檢測(cè)模塊相接，用于提供電壓基準(zhǔn)的輸出；

檢測(cè)模塊，分別與采樣電阻模塊和恒流源調(diào)整模塊相接，用于對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)；

恒流源供電模塊，分別與恒流源供電模塊和檢測(cè)模塊相接，用于為恒流源提供輸出電流；以及

電源模塊，為ARM單片機(jī)系統(tǒng)和各工作模塊提供工作電源。

所述電源模塊包括第一電源模塊和第二電源模塊；所述第一電源模塊分別與ARM單片機(jī)系統(tǒng)、觸摸屏模塊和升壓模塊相接，輸出+5V直流電壓；所述第二電源模塊分別與負(fù)反饋放大模塊和恒流源供電模塊相接，輸出±12V直流電壓。

所述采樣電阻模塊是由100只阻值為100Ω的電阻并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)1Ω阻值的采樣電阻；100只電阻的正負(fù)溫度系數(shù)相匹配，使總體電阻的溫度系數(shù)之和等于或基本等于零；100只電阻通過銅板載體上均布的100個(gè)孔洞固定連接在一起。

本發(fā)明采用串聯(lián)負(fù)反饋的原理設(shè)計(jì)了恒流源電路、0—10V高精度可調(diào)電壓基準(zhǔn)模塊、調(diào)整管壓降控制方法以及LMBDA開關(guān)電源的控制算法，并完成了低負(fù)載效應(yīng)1Ω采樣電阻的制作。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電流輸出值0-1A可調(diào)的功能，并且針對(duì)電感負(fù)載調(diào)整了電路結(jié)構(gòu)，做了相應(yīng)的保護(hù)補(bǔ)償電路和控制算法，使精密可調(diào)恒流源不僅可以應(yīng)用于電感負(fù)載，而且輸出電流的相對(duì)穩(wěn)定性也達(dá)到了2.97×10^-7/min量級(jí)，最終完成了可用于電感負(fù)載的精密可調(diào)恒流源的制作。

本發(fā)明是一種用于電感負(fù)載的可調(diào)精密恒流源，其核心是串聯(lián)負(fù)反饋式運(yùn)算放大電路。其中運(yùn)算放大器、調(diào)整管、采樣電阻和基準(zhǔn)電壓等均對(duì)恒流源的穩(wěn)定性有重要的影響。

本發(fā)明的主電源回路中包括有四個(gè)部分：調(diào)整管、采樣電阻、測(cè)試電阻和負(fù)載。由于電路恒流，因此，采樣電阻和測(cè)試電阻的兩端壓降不變，負(fù)載兩端的壓降變化直接導(dǎo)致調(diào)整管漏源電壓隨之變化。由于調(diào)整管不是理想的調(diào)整管，輸出阻抗有限，如果漏源電壓下降，就會(huì)導(dǎo)致調(diào)整管輸出電流下降，從而影響輸出電流的穩(wěn)定度。因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種調(diào)整管壓降控制方法：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過監(jiān)視調(diào)整管漏源之間的電壓，控制AD芯片改變主電源電壓，實(shí)現(xiàn)了調(diào)整管壓降的自動(dòng)控制。

恒流源用于感性負(fù)載時(shí)，最容易發(fā)生的問題就是自激震蕩，然而恒流源又要實(shí)現(xiàn)0-1A的可調(diào)功能，這個(gè)功能本身就和電感負(fù)載相沖突。首先，本發(fā)明設(shè)計(jì)了電流補(bǔ)償模塊來解決電感負(fù)載的自激震蕩。其次，在ARM單片機(jī)系統(tǒng)的控制程序中，對(duì)電流的上升速率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了上升速率的隨時(shí)可調(diào)。當(dāng)恒流源需要調(diào)節(jié)到某一輸出電流值時(shí)，不可以馬上跳變至該電流值，而是需要緩慢變化到這一電流值。最后，當(dāng)恒流源攜帶感性負(fù)載時(shí)，可靠接地對(duì)電流輸出的穩(wěn)定度和抗干擾能力也有著重要的作用。因此調(diào)整電路結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了攜帶感性負(fù)載時(shí)的抗干擾能力。通過上述三個(gè)方法，有效解決了感性負(fù)載的自激震蕩問題。

設(shè)計(jì)了程控主電源控制電路及方法，擴(kuò)展了恒流源的通用性。由于恒流源電路恒流，當(dāng)驅(qū)動(dòng)不同負(fù)載時(shí)，所需的電壓也有所不同。為了保證恒流源精度，主電源電壓也應(yīng)該隨著負(fù)載的變化而調(diào)整。本發(fā)明通過DA控制模塊對(duì)主電源電壓進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)主電源電壓隨負(fù)載不同而隨時(shí)變化。一般的高精度恒流源一般只能在負(fù)載固定、輸出某一固定值的電流時(shí)保持較高的精度。本發(fā)明在輸出0-1A之間任何電流、攜帶300W以下任何負(fù)載都能保證較高的精度，實(shí)現(xiàn)了寬量限的高穩(wěn)定度恒流源。

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種電流反饋調(diào)整補(bǔ)償電路，并通過高精度單片機(jī)輸出控制高精度DA控制模塊，以控制調(diào)整電路的反饋。通過DA控制模塊對(duì)恒流源調(diào)整管的管壓降進(jìn)行連續(xù)調(diào)整，避免了分檔調(diào)節(jié)時(shí)造成管壓降跳躍而引起的電流突變，同時(shí)避免了引入開關(guān)電源后對(duì)電流穩(wěn)定度和紋波特性造成的不利影響。

本發(fā)明可輸出0-10V之間的任意電壓值的高精度電壓基準(zhǔn)，短時(shí)間內(nèi)輸出電壓的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到2.34*10^-7，電壓穩(wěn)定度為3.4*10^-8。將其作為恒流源的電壓參考源，最終實(shí)現(xiàn)了0-10A電流可調(diào)的電流源輸出。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉，適用于工業(yè)化實(shí)施。

附圖說明

圖1是本發(fā)明恒流源的電路系統(tǒng)框圖。

圖2是ARM單片機(jī)系統(tǒng)的主控電路圖。

圖3是恒流源調(diào)整模塊的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明包括ARM單片機(jī)系統(tǒng)、觸摸屏模塊、升壓模塊、負(fù)反饋放大模塊、DA控制模塊、恒流源調(diào)整模塊、電流補(bǔ)償模塊、溫度測(cè)量和保持模塊、采樣電阻模塊、檢測(cè)模塊、恒流源供電模塊和電源模塊等部分。ARM單片機(jī)系統(tǒng)用于接收用戶的電流設(shè)置、改變和計(jì)算并把計(jì)算結(jié)果輸出給DA控制模塊；觸摸屏模塊用于和用戶之間的交互；DA控制模塊用于調(diào)整反饋電路的輸入電壓；恒流源調(diào)整模塊用于調(diào)整電流輸出；負(fù)反饋放大模塊用于恒流源調(diào)整模塊的驅(qū)動(dòng)；采樣電阻模塊用于提供電壓基準(zhǔn)的輸出；檢測(cè)模塊用于對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)；溫度測(cè)量和保持模塊為閉環(huán)控制，用于測(cè)量調(diào)整模塊由于溫度帶來的溫漂，根據(jù)溫漂調(diào)整公式對(duì)洹流進(jìn)行調(diào)整，消除由于調(diào)整模塊因溫度上升帶來的輸出誤差；電源模塊為ARM單片機(jī)系統(tǒng)和各工作模塊提供工作電源；恒流源供電模塊用于給恒流源提供輸出電流。

溫度測(cè)量和保持模塊的溫漂調(diào)整公式為：

I_t＝I₂₀[1+α(t－20)+β(t－20)²]

其中：I_t是溫度為t時(shí)的電流輸出值；I₂₀是溫度為20℃時(shí)的電流輸出值；α是一次項(xiàng)溫度系數(shù)，取2.3×10^－6/℃；β是二次項(xiàng)溫度系數(shù)，取3.8×10^－8/℃；t是當(dāng)前溫度值。

單片機(jī)控制可調(diào)精密基準(zhǔn)電壓的輸出，電壓基準(zhǔn)再通過恒流源調(diào)整模塊對(duì)主電源模塊的電流輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，并能通過溫度傳感器對(duì)恒流源調(diào)整模塊的溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)溫度變化對(duì)電流輸出有溫漂影響時(shí)，再通過單片機(jī)對(duì)輸出基準(zhǔn)電壓進(jìn)行校準(zhǔn)。

為提高恒流源穩(wěn)定度，確保采樣電阻在恒溫狀態(tài)下工作，本系統(tǒng)制作了可用于電感負(fù)載的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、負(fù)載系數(shù)均在10^-7量級(jí)的1Ω采樣電阻，為了降低由于溫度變化導(dǎo)致采樣電阻阻值發(fā)生變化，本結(jié)構(gòu)中，自制采樣電阻，減少電阻器對(duì)周圍環(huán)境的熱阻，采用溫度系數(shù)小的電阻材料制作采樣電阻，采樣電阻采用圓周均布結(jié)構(gòu)，由多個(gè)溫度系數(shù)相同的電阻組合制作，多個(gè)電阻可增加電阻元件的散熱面積，減小熱阻，最終采用100只100Ω的電阻并聯(lián)實(shí)現(xiàn)1Ω采樣電阻的制作，經(jīng)過篩選挑出100只正負(fù)溫度系數(shù)相匹配的電阻，使總體電阻的溫度系數(shù)之和接近于0，并把100只采樣電阻通過導(dǎo)熱好的銅板載體固定在一起，即可增大功率要求，又能減小溫漂，最終測(cè)試采樣電阻溫度系數(shù)為0.3ppmΩ/℃。所制作的1Ω采樣電阻工作于零溫度系數(shù)點(diǎn)25℃左右，通過溫度傳感器測(cè)量?jī)x器內(nèi)溫度，采集溫度到處理器，根據(jù)設(shè)定25℃溫度，智能調(diào)節(jié)可速度控制的風(fēng)扇，當(dāng)溫度增高時(shí)增大風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)，當(dāng)溫度降低時(shí)減少風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)，由于正常工作時(shí)采樣電阻自身會(huì)發(fā)熱，所以調(diào)速風(fēng)扇常常工作于有轉(zhuǎn)數(shù)狀態(tài)。

ARM單片機(jī)系統(tǒng)和恒流反饋模塊均采用交流電供電，為了提高恒流源測(cè)量?jī)x的通用性、小型化、便攜化需要，不能采用蓄電池供電，雖然蓄電池作輔助電源可以避免采用變壓器供電對(duì)串聯(lián)反饋式恒流源電路造成干擾，但不能實(shí)現(xiàn)儀器的產(chǎn)品化需求，而且重量太重，不適合便攜工作，所以在交流供電模塊中加入多級(jí)濾波電路對(duì)直流電壓進(jìn)行濾波，并對(duì)交流供電模塊進(jìn)行安裝空間的隔離，減少白噪聲對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)和恒流源基本電路的干擾。

檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)連接各種負(fù)載；溫度測(cè)量和保持模塊負(fù)責(zé)測(cè)量和保持溫度恒定，系統(tǒng)在溫度升高或降低時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度漂移，這將破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以，本發(fā)明對(duì)系統(tǒng)增加了溫度測(cè)量功能，當(dāng)溫度變化時(shí)，系統(tǒng)輸出電流會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，這會(huì)帶來系統(tǒng)溫差，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了溫度采集模塊對(duì)系統(tǒng)工作環(huán)境溫度進(jìn)行采集，通過單片機(jī)比對(duì)誤差推算表，查出當(dāng)溫度變化時(shí)相應(yīng)的誤差補(bǔ)償數(shù)值，對(duì)DA控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的誤差補(bǔ)償，最終對(duì)恒流源調(diào)整模塊進(jìn)行電流調(diào)整，使輸出電流保持不變。同時(shí)，溫度保持模塊可以在一定范圍內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)溫度保持模塊中采用水冷系統(tǒng)對(duì)恒流源調(diào)整芯片進(jìn)行強(qiáng)制水冷，當(dāng)溫度升高時(shí)可通過水冷系統(tǒng)的高速風(fēng)扇進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，一定程序上可以限制恒流源調(diào)整模塊的溫度，最終使系統(tǒng)達(dá)到一定的溫度平衡，平衡后可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。這樣有效地控制了當(dāng)系統(tǒng)通過10A的大電流時(shí)可能由于溫度升高而損壞恒流源調(diào)整芯片的情況出現(xiàn)，另外，還可以減小系統(tǒng)溫漂對(duì)精度的影響。

如圖2所示，ARM單片機(jī)系統(tǒng)選用ARM單片機(jī)，型號(hào)：STM32F103C8T6，通過串口和觸摸屏通訊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊直接與10V電壓基準(zhǔn)模塊和ARM單片機(jī)系統(tǒng)相連，在32位高精度處理器的控制下，通過20位DAC芯片AD5791和高精度運(yùn)放AD8676，將固定的10V高穩(wěn)定性電壓轉(zhuǎn)換為0-10V的高穩(wěn)定可調(diào)電壓。DAC電壓輸出值不僅由DAC寄存器的數(shù)據(jù)D決定，還與正負(fù)基準(zhǔn)電壓有關(guān)，同一個(gè)D值在不同基準(zhǔn)電壓下，電壓輸出值不同，由下面公式可推出D與V_OUT的換算公式為：

$D=\left(INT\right)\frac{V_{OUT}-V_{REFN}}{V_{REFP}-V_{REFN}}\×2^{20}$

V_OUT是一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，在調(diào)整V_OUT時(shí)，需要做浮點(diǎn)計(jì)算，處理器在計(jì)算時(shí)有一定的誤差，誤差逐漸積累會(huì)加大測(cè)量誤差，為減小該誤差，將V_OUT的存儲(chǔ)值擴(kuò)大10⁵倍，并以長(zhǎng)整型儲(chǔ)存，V_OUT的變化1相當(dāng)于電壓變化10^-5，此時(shí)D與V_OUT的換算公式為：

$D=\left(INT\right)\frac{V_{OUT}\×{10}^5-V_{REFN}\×{10}^5}{V_{REFP}\×{10}^5-V_{REFN}\×{10}^5}\×2^{20}$

該公式?jīng)Q定著恒流源最終輸出電流的精度，這個(gè)公式得到的是控制恒流源調(diào)整模塊的基準(zhǔn)電壓，可以得到20位的分辨率調(diào)節(jié)精度，這個(gè)調(diào)整精度作為調(diào)整模塊的輸入最終影響調(diào)整模塊的精度輸出。

本電路的設(shè)計(jì)獨(dú)特之處在于高精度單片機(jī)與高精度DAC芯片的結(jié)合，32位單片機(jī)可以增加計(jì)算精度，整數(shù)計(jì)算精度相對(duì)于8位的8051單片機(jī)來說增加2²⁴倍，所以對(duì)輸出電壓基準(zhǔn)的計(jì)算可以增加超過10-⁸的計(jì)算精度要求，采用AD5791架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以建立1ppm的相對(duì)精度、0.05ppm/℃溫度漂移、0.1ppm p-p噪聲、優(yōu)于1ppm的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和1MHz吞吐量的穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)。本電路中由放大器形成的輸出緩沖功能，能有效地防止噪聲對(duì)基準(zhǔn)的影響，而延遲不超過100ns，可實(shí)現(xiàn)100kHz以上的恒流源調(diào)整電路對(duì)輸入響應(yīng)的要求；該電路中，AD5791結(jié)合AD8676的電路連接，不但提供出色的線性度，還具有噪聲密度、0.05ppm/℃溫度漂移，且其1000小時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于0.1ppm。電路中的精密架構(gòu)采用AD8676放大器來緩沖自3.4kΩDAC電阻的基準(zhǔn)源，為基準(zhǔn)輸出引腳的加載感應(yīng)提供方便，以確保AD5791的1ppm線性度。AD8676為低噪聲、低失調(diào)誤差、低失調(diào)誤差漂移和低輸入偏置電流放大器，將AD8675用作輸出緩沖可以更好地維持直流精度，得到高的數(shù)據(jù)吞吐量和較高壓擺率。

此主控電路板最終可以實(shí)現(xiàn)精密數(shù)控1ppm電壓基準(zhǔn)源，電壓范圍為±10V，增量為20uV；當(dāng)-10V和電源地連接時(shí)，電壓范圍為0-10V，增量為10uV，剛好滿足于本系統(tǒng)中電壓基準(zhǔn)的要求。為了得到1ppm量級(jí)的基準(zhǔn)電壓要求，在電路中使用了浮點(diǎn)精度超過1ppm的32位ARM單片機(jī)，另外，基準(zhǔn)元件和并聯(lián)元件具有DAC芯片不相上下的溫度漂移和噪聲規(guī)格，如LT1021，選擇批號(hào)為9345，其溫漂在0.5ppm，這樣整個(gè)系統(tǒng)溫漂控制在1ppm量級(jí)。本電路中采用10uF電源旁路電容，與每個(gè)引腳上的0.1uF電容并聯(lián)，盡可能靠近封裝，正對(duì)單片機(jī)和AD5791芯片，可有效地消除噪聲，本電路中采用兩路AD8676電壓參考，一路AD8675電壓輸出，元件采用分布式布局，可有效地消除由于元件溫度變化不均產(chǎn)生的熱壓效應(yīng)，可有效保證整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。

電路中系統(tǒng)誤差源來源有噪聲、溫度漂移、熱電電壓和物理應(yīng)力。在去除噪聲方面，本電路選擇采用R-C濾波器，另外，采用與此板連接的線纜連接采用屏蔽線連接、防護(hù)，模擬地和數(shù)字地在電路板中分別布置并隔開；溫度漂移是本系統(tǒng)的誤差源主要來源之一，減少溫漂關(guān)鍵是選擇次1ppm溫度系數(shù)的各個(gè)元件，AD8676輸出緩沖只有0.03ppm/℃的輸出溫漂，和其相連的匹配電容網(wǎng)絡(luò)也為低溫漂電容組成；為了消除熱電電壓，在本電路中增加補(bǔ)償結(jié)，對(duì)和單片機(jī)和AD5791相連接的電容元件確保配對(duì)正確、位置無誤，在電路板中位置布局合理，從而穩(wěn)定局部溫度和環(huán)境溫度的分布差異；消除物理應(yīng)力的方法是對(duì)本電路板在相應(yīng)的位置增加應(yīng)力切口；在本板布線時(shí)，杜絕數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)交叉，電路板兩側(cè)走線應(yīng)垂直，減小電路板饋通效應(yīng)。在電路板中位置布局合理，從而穩(wěn)定局部溫度和環(huán)境溫度的分布差異；消除物理應(yīng)力的方法是對(duì)本電路板在相應(yīng)的位置增加應(yīng)力切口；本電路中采用10uF電源旁路電容，與每個(gè)引腳上的0.1uF電容并聯(lián)，盡可能靠近封裝，正對(duì)單片機(jī)和AD5791芯片，可有效地消除噪聲，另外，在本板布線時(shí)，杜絕數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)交叉，電路板兩側(cè)走線應(yīng)垂直，減小電路板饋通效應(yīng)。在本板布線中走線平直，足夠?qū)?，以提供低阻抗路徑，特別是電源線，減小電源線路上的毛刺效應(yīng)，利用數(shù)字地將快速開關(guān)信號(hào)、時(shí)鐘等屏蔽起來，以避免向電路板上的其他器件輻射噪聲，并且不得靠近基準(zhǔn)輸入，也不得置于封裝之下?；鶞?zhǔn)輸入上噪聲降至最低。這樣可以保證恒流源輸出高精度(達(dá)10^-7量級(jí))、高穩(wěn)定度要求(1ppm/年量級(jí))。

本電路結(jié)構(gòu)合理，和溫度采集模塊配合可以形成閉環(huán)溫度控制與補(bǔ)償功能，可以更好地解決系統(tǒng)工作的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可以很好地滿足恒流源長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求。

如圖3所示，本發(fā)明中的恒流源調(diào)整模塊是一種適用于寬量限的高穩(wěn)定度恒流源核心電路。該電路包括串聯(lián)反饋式恒流源電路1、恒流源調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路2、電流測(cè)試電路3、保護(hù)與補(bǔ)償電路4以及感性負(fù)載R_L。

所述串聯(lián)反饋式恒流源電路1由基準(zhǔn)電壓V_S1、采樣電阻R_S、基準(zhǔn)電壓跟隨器A₁、誤差放大器A₂和調(diào)整管VMOS₁組成。其中，基準(zhǔn)電壓V_S1的正極輸出端連接到基準(zhǔn)電壓跟隨器A₁的同向輸入端，基準(zhǔn)電壓跟隨器A₁的輸出端接誤差放大器A₂的同向輸入端，誤差放大器A₂的反向輸入端接調(diào)整管VMOS₁的源極，誤差放大器A₂的輸出端接調(diào)整管VMOS₁的柵極，調(diào)整管VMOS₁的源極經(jīng)采樣電阻R_S接地，調(diào)整管VMOS₁的漏極分兩路，一路經(jīng)調(diào)壓器T_1接主電源，另一路連接恒流源調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路2。

所述恒流源調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路2由電壓跟隨器A₃、運(yùn)放A₄、電位器R_P、電壓補(bǔ)償電阻R_C、參考電壓V_S2和調(diào)整管VMOS₂連接組成；其中，電壓跟隨器A₃的同向輸入端接調(diào)整管VMOS₁的漏極，電壓跟隨器A₃的輸出端經(jīng)電位器R_P接地，電位器R_P的滑動(dòng)端串聯(lián)電阻R₁和電阻R₂后接運(yùn)放A₄的反向輸入端，由電阻R₁與電阻R₂之間的節(jié)點(diǎn)經(jīng)電容C₃接地，運(yùn)放A₄的同向輸入端經(jīng)參考電壓V_S2接地，運(yùn)放A₄的輸出端接調(diào)整管VMOS₂的柵極，調(diào)整管VMOS₂的源極經(jīng)電壓補(bǔ)償電阻R_C接地線。

所述電流測(cè)試電路3由電壓表V與測(cè)量電阻R_S^*并聯(lián)連接組成，測(cè)量電阻R_S^*的一端接電壓補(bǔ)償電阻R_C，測(cè)量電阻R_S^*的另一端經(jīng)負(fù)載R_L接主電源電壓V_DC-。

所述保護(hù)與補(bǔ)償電路4由二極管D1和五只電容C4—C8連接組成，二極管D1的正極接主電源電壓V_DC-，二極管D1的負(fù)極接電壓補(bǔ)償電阻R_C，五只電容C4—C8依次串聯(lián)連接后，再并聯(lián)連接在二極管D1的兩端。

所述采樣電阻R_S是由100只阻值為100Ω的電阻并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)1Ω阻值的采樣電阻；100只電阻的正負(fù)溫度系數(shù)相匹配，使總體電阻的溫度系數(shù)之和等于或基本等于零；100只電阻通過銅板載體上均布的100個(gè)孔洞固定連接在一起。

在圖3所示的恒流源調(diào)整模塊的具體電路中，基準(zhǔn)電壓V_S1采用直流固態(tài)電壓基準(zhǔn)732B，其1.018V輸出作為恒流源的基準(zhǔn)電壓?；鶞?zhǔn)電壓跟隨器A₁和誤差放大器A₂采用精密運(yùn)放MAX400C；調(diào)整管VMOS₁采用高頻大功率N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管IRFP460。由于基準(zhǔn)電壓約為1.018V，設(shè)計(jì)電流為250mA，采樣電阻R_S應(yīng)為1Ω。輔助電源+V_CC1和-V_EE1采用交流整流后通過三端穩(wěn)壓集成電路78L12和79L12進(jìn)行穩(wěn)壓的方法得到。采用交流電作輔助電源，可以增加儀器的實(shí)用性、通用性和小型化。

依次打開串聯(lián)反饋式恒流源電路1和恒流源調(diào)整管壓降補(bǔ)償電路2。此時(shí)，主電源電壓V_DC為零，恒流源負(fù)載回路中沒有電流流過，調(diào)整管VMOS₁漏極電位為零(相對(duì)于GND₂)，輸出電壓約23V(接近正向電源電壓+24V)，該電壓加在調(diào)整管VMOS₂柵極上，由于調(diào)整管VMOS₂開啟電壓為3.5V，因此調(diào)整管VMOS₂處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”端電位約為+19.5V(相對(duì)于GND₂)，電壓補(bǔ)償電阻R_C中僅有反向電流I_C流過，約為276mA。調(diào)節(jié)調(diào)壓器T₁，逐漸增加主電源電壓V_DC，這時(shí)有電流流過負(fù)載R_L且逐漸增加，該電流同時(shí)流過電壓補(bǔ)償電阻R_C。此時(shí)調(diào)整管VMOS₁漏極電位依然接近于零，運(yùn)放A₄仍工作在正向飽和狀態(tài)，由于VMOS₂柵-源電壓的箝位作用，電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”端電位基本不變，仍約為+19.5V，但這時(shí)流過R_C的反向電流I_C逐漸增大。當(dāng)負(fù)載電流I_S剛好升至設(shè)計(jì)電流時(shí)，電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”端電位依然約為+19.5V，此時(shí)流過電壓補(bǔ)償電阻R_C的反向電流I_C約為526mA，高于正向電流250mA的兩倍。主電源電壓V_DC繼續(xù)升高，串聯(lián)反饋式恒流源電路1進(jìn)入正常工作狀態(tài)，調(diào)整管VMOS₁漏-源間產(chǎn)生壓降，即漏極電位升高。當(dāng)VMOS₁漏-源電壓升至設(shè)定電壓20V時(shí)，恒流源調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路2開始動(dòng)作。主電源電壓再升高，調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路繼續(xù)動(dòng)作，運(yùn)放A₄輸出變?yōu)樨?fù)值，調(diào)整管VMOS₂的源極電流逐漸減小。直到調(diào)整管VMOS₂的源極電流減小到零，也即電壓補(bǔ)償電阻R_C中的反向電流I_C為零，主電源電壓V_DC不再升高，至此整個(gè)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。這時(shí)電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”端電位為正向電流I_S和電壓補(bǔ)償電阻R_C的乘積，約為－17.5V。

當(dāng)負(fù)載R_L由于通電發(fā)熱而電阻變大時(shí)，由于輸入主電源電壓不變，故調(diào)整管VMOS₁漏-源電壓下降，即VMOS₁漏極電位下降，由于參考電壓V_S2不變，所以運(yùn)放A₄輸出電壓升高，即調(diào)整管VMOS₂柵極控制電壓升高，所以VMOS₂源極電流增大，也即電壓補(bǔ)償電阻R_C中反向電流I_C增大，由于電壓補(bǔ)償電阻R_C中流過的正向電流I_S不變，所以流過電壓補(bǔ)償電阻R_C中的凈電流減小，也即電壓補(bǔ)償電阻R_C兩端壓降減小，由于恒流源負(fù)載主回路總壓降不變，故調(diào)整管VMOS₁兩端壓降增大。隨著負(fù)載線圈發(fā)熱其電阻逐漸增大，運(yùn)放A₄的輸出電壓逐漸升高，也即電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”負(fù)端電位逐漸升高，直到升高至+19.5V，此時(shí)運(yùn)放A₄正向飽和，輸出電壓約為23V。此時(shí)負(fù)載線圈電阻再增大，電壓補(bǔ)償電阻R_C中的反向電流I_C不再增大，同時(shí)保證I_S不變，實(shí)現(xiàn)恒流源恒流效果。

本實(shí)施例中運(yùn)放A₄組成的減法電路的放大倍數(shù)為100(R₃/(R₁+R₂))，電位器R_P的分壓比約為6/7，所以整個(gè)調(diào)整過程中VMOS₁的變化量?jī)H為0.432V。也就是說當(dāng)負(fù)載電阻由于發(fā)熱而阻值增大148Ω時(shí)，調(diào)整管VMOS₁漏-源電壓僅下降約0.432V，這樣可以讓調(diào)整管在長(zhǎng)期工作中不會(huì)因?yàn)槁?源電壓降太大而燒毀。

恒流源調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路2中，選擇適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償電阻R_C后，其所能提供的最大補(bǔ)償電壓由運(yùn)放A₄的供電電壓+V_CC2與－V_EE2的絕對(duì)值的和來決定(這里將運(yùn)放A₄視為理想運(yùn)放)。該實(shí)施例中，運(yùn)算放大器A₃、A₄采用精密運(yùn)放MAX400C，電位器R_P采用阻值為10kΩ的多圈微調(diào)電位器，電阻R₁、電阻R₂和電阻R₃采用RX70精密線繞電阻，阻值分別為5kΩ、5kΩ和1MΩ，調(diào)整管VMOS₂的型號(hào)與調(diào)整管VMOS₁的相同，限流電阻R_D和電壓補(bǔ)償電阻R_C分別采用5Ω/5W和70Ω/10W的大功率水泥電阻。輔助電源+V_CC2和-V_EE2分別設(shè)計(jì)為+24V和－15V，分別經(jīng)變壓器降壓、整流、濾波和78L24、79L15穩(wěn)壓后得到。本實(shí)施例中將調(diào)整管VMOS₁的漏-源電壓控制在20V，參考電壓V_S2設(shè)計(jì)為+18V，由三端穩(wěn)壓集成電路78L24的輸出電壓+24V經(jīng)三端穩(wěn)壓集成電路78L18穩(wěn)壓后得到。

本發(fā)明恒流源的工作過程如下。

使用恒流源之前，需要將恒流源和相關(guān)測(cè)試儀器預(yù)熱2小時(shí)以上，避免儀器開機(jī)效應(yīng)帶來的誤差，使用中所有接線都用屏蔽線作為測(cè)量用線，防止電磁干擾，所有的接線端子都要用低熱電勢(shì)的端子，以消除電勢(shì)所引起的測(cè)量誤差。依次打開串聯(lián)反饋式恒流源電路和恒流源調(diào)整管壓降補(bǔ)償電路。此時(shí)，主電源電壓V_DC為零，恒流源負(fù)載回路中沒有電流流過，調(diào)整管VMOS₁漏極電位為零(相對(duì)于GND₂)，輸出電壓約23V(接近正向電源電壓+24V)，該電壓加在調(diào)整管VMOS₂柵極上，由于調(diào)整管VMOS₂開啟電壓為3.5V，因此調(diào)整管VMOS₂處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”端電位約為+19.5V(相對(duì)于GND₂)，電壓補(bǔ)償電阻R_C中僅有反向電流I_C流過，約為276mA。調(diào)節(jié)調(diào)整管VMOS₁逐漸增加主電源電壓V_DC，這時(shí)有電流流過負(fù)載且逐漸增加，該電流同時(shí)流過電壓補(bǔ)償電阻R_C。此時(shí)調(diào)整管VMOS₁漏極電位依然接近于零，運(yùn)放A₄仍工作在正向飽和狀態(tài)，由于調(diào)整管VMOS₂柵-源電壓的箝位作用，電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”端電位基本不變，仍約為+19.5V，但這時(shí)流過電壓補(bǔ)償電阻R_C的反向電流I_C逐漸增大。當(dāng)負(fù)載電流I_S剛好升至設(shè)計(jì)電流時(shí)，電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”端電位依然約為+19.5V，此時(shí)流過電壓補(bǔ)償電阻R_C的反向電流I_C約為526mA，高于正向電流250mA的兩倍。主電源電壓V_DC繼續(xù)升高，串聯(lián)反饋式恒流源電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)，調(diào)整管VMOS₁漏-源間產(chǎn)生壓降，即漏極電位升高。當(dāng)調(diào)整管VMOS₁漏-源電壓升至設(shè)定電壓20V時(shí)，恒流源調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路開始動(dòng)作。主電源電壓再升高，調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路繼續(xù)動(dòng)作，運(yùn)放A₄輸出變?yōu)樨?fù)值，調(diào)整管VMOS₂的源極電流逐漸減小。直到調(diào)整管VMOS₂的源極電流減小到零，也即電壓補(bǔ)償電阻R_C中的反向電流I_C為零，主電源電壓不再升高，至此整個(gè)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。這時(shí)電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”端電位為正向電流I_S與電壓補(bǔ)償電阻R_C的乘積，約為－17.5V。

當(dāng)負(fù)載線圈由于通電發(fā)熱而電阻變大時(shí)，由于輸入主電源電壓不變，故調(diào)整管VMOS₁漏-源電壓下降，即調(diào)整管VMOS₁漏極電位下降，由于參考電壓V_S2不變，所以運(yùn)放A₄輸出電壓升高，即調(diào)整管VMOS₂柵極控制電壓升高，所以調(diào)整管VMOS₂源極電流增大，也即電壓補(bǔ)償電阻R_C中反向電流I_C增大，由于電壓補(bǔ)償電阻R_C中流過的正向電流I_S不變，所以流過電壓補(bǔ)償電阻R_C中的凈電流減小，也電壓補(bǔ)償電阻R_C兩端壓降減小，由于恒流源負(fù)載主回路總壓降不變，故調(diào)整管VMOS₁兩端壓降增大。隨著負(fù)載線圈發(fā)熱其電阻逐漸增大，運(yùn)放A₄的輸出電壓逐漸升高，也即電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”負(fù)端電位逐漸升高，直到升高至+19.5V，此時(shí)運(yùn)放A₄正向飽和，輸出電壓約為23V。此時(shí)負(fù)載線圈電阻再增大，電壓補(bǔ)償電阻R_C中的反向電流I_C不再增大。這時(shí)需要重新調(diào)節(jié)T₁以增大主電源電壓使電壓補(bǔ)償電阻R_C的“－”端電位重新回到－17.5V，開始下一個(gè)循環(huán)。

由上述分析可知，本實(shí)施例中電壓補(bǔ)償電阻R_C兩端電壓可由－17.5V變?yōu)?19.5V(以GND₂為零電位參考點(diǎn))，提供的補(bǔ)償電壓為37V，接近運(yùn)放A₄正負(fù)飽和輸出電壓絕對(duì)值之和。本實(shí)施例中A₄組成的減法電路的放大倍數(shù)為100(R₃/(R₁+R₂))，R_P的分壓比約為6/7，所以整個(gè)調(diào)整過程中VMOS₁的變化量?jī)H為0.432V。也就是說當(dāng)負(fù)載電阻由于發(fā)熱而阻值增大148Ω時(shí)，調(diào)整管VMOS₁漏-源電壓僅下降約0.432V。

用高精度萬用表測(cè)得測(cè)量電阻R_S^*的阻值為0.999915Ω，預(yù)熱兩小時(shí)后按電流測(cè)試電路電壓端上，待恒流源系統(tǒng)穩(wěn)定工作后測(cè)試1小時(shí)的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1帶恒流源調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路的恒流源測(cè)試數(shù)據(jù)

分析數(shù)據(jù)可知，電流平均值為254.5160mA，電流相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為2.8×10^-7，電流穩(wěn)定度(時(shí)間漂移)為6.3×10^-7/h。

去掉恒流源調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路，如圖3所示，用上述同樣方法測(cè)試1小時(shí)的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2不帶恒流源調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路的恒流源測(cè)試數(shù)據(jù)

分析數(shù)據(jù)可知，電流平均值為254.5123mA，電流相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為5.2×10^-6，電流穩(wěn)定度(時(shí)間漂移)為1.7×10^-5/h。

對(duì)比分析表1和表2兩組數(shù)據(jù)可知，加入恒流源調(diào)整管壓降反饋補(bǔ)償電路后1小時(shí)內(nèi)電流相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差改善了19倍，電流時(shí)間漂移改善了27倍，且兩項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于1ppm/h。注：

式中x_i為單次測(cè)量電流值，為n次測(cè)量的電流平均值，n為測(cè)量次數(shù)。這個(gè)公式是對(duì)系統(tǒng)誤差評(píng)定的公式，可計(jì)算出恒流源的精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度。

式中a為n次測(cè)量的電流值擬合直線的斜率，t為n次測(cè)量所用時(shí)間，為n次測(cè)量的電流平均值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明恒流源在正常工作時(shí)，可輸出1A電流相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為2.97*10^-7，電流穩(wěn)定度為－3.6*10^-7/30min，可調(diào)恒流源的微分非線性為0.59LSB，最大負(fù)載能力300W，輸出阻抗120兆歐。