程控高精度恒流源设计

1、硕士学位论文程控高精度恒流源设计DESIGN OF PROGRAMMABLE HIGHPRECISION CURRENT SOURCE温英俊III哈尔滨工业大学2011年6月中图分类号:TP273.5UDC： 621.3学校代码:10213 密级：公开工学硕士学位论文程控高精度恒流源设计硕士研究生：温英俊导师学位、专业 单位 日期请科在辩 申学所答授予学位单位彭宁教授工学硕士仪器科学与技术自动化测试与控制系2011年6月哈尔滨工业人学Classified Index: TP273.5U.D.C: 621.3Dissertation for the Master Degree in Engine

2、eringDESIGN OF PROGRAMMABLE HIGHCandidate：Supervisor：Academic Degree Applied for： Specialty：Affiliation：PRECISION CURRENT SOURCEWen YingjunProf. Peng YuMaster of EngineeringInstrument Science and Tecluiology Department of Automatic Test and ControlDate of Defence：June、2011Degree-Confirming-Instituti

3、on:Harbin Institute of Tecluiology哈尔滨匸业大学I 学硕士学位论文摘要在工业领域中，越來越多的电子设备需耍高桔度、宽范围的恒流源设备提 供稳定电流來驱动设备正常工作。但是目前大多数的恒流源产品都无法满足高 精度电子设备的要求，少数满足要求的也因为价格昂贵、便携性差而无法获得 广泛应用。而月.对于恒流源的评定方法也没有统一的标准。本文以高精度恒流 源及其评定方法为研究内容，提出了一种棊模块设计的程控恒流源，使其具 有电路结构简洁、输出椅度高、稳定性强的优点。同时为了测试恒流源的性 能，提出了一种适用丁高粘度恒流源的评定方法。本文首先通过分析传统恒流源技术以及国内

4、外恒流源产品的现状，归纳总 结出传统恒流源技术的优缺点。在此基础Z上，通过对设计要求和技术指标的 分析提出具体的设计方案。设计方案采用模块化设计思想，在提高电流输出范 围和精度的同时，乂具有良好的拓展性和可移植性。然后根据设计方案进行了 各个功能模块的具体设计及误差分析，并论证了设计方案的可行性。通过对影 响恒流源输出电流稳定性的因索进行细致研究，明确了影响恒流源稳定性的因 索。并指出提高系统稳定的关键在r DAC外阳电路和V-I电路稳定性方而的 设计。在软件上，采用FPGA固件设计实现了上位机对DAC输出电丿七的有效 控制。最后在原航天部制定的标准某础上，通过借啓鬥流标准恒流源检定方法 的行

5、业标准，对其进行了补充和完善，提出了适用丁-木设计的评定方法。按照提出的评定方法对恒流源的技术指标进行评定测量，实验数据证明输 出电流的最大绝对误差耍小丁 lpA、温漂系数小T lgA/°C,负载、稳定度等 其他备项技术指标也均达到了预期的设计要求。因此，本设计提出的程控恒流 源及其评定方法，可以满足高精度电子设备的需求。关键词：恒流源：评定方法：模块化设计；高精度：宽范用哈尔滨i:业大学I 学硕士学位论文AbstractIn the lndustnal field, more and more electronic devices require high-precision, w

6、ide range of constant curient source device to provide a stable current to drive the device to work properly. Most of the cunent source products can not meet the lequiiements of liigli-piecision electionic equipment, even meet the lequiieinents because of a small number of expensive. Because of the

7、pace and poor portability, a few that meet the requirements can not meet the requirements of the widely used In this paper, high-precision current source and its evaluation method are the study of the content. This paper proposes piogianmiable constant cunent source based on module-based design, whi

8、ch has a simple circuit stmctuie, high output accuracy, stability and strong benefits At the same time in Older to test the peifoimance of cunent source presents a high-piecision current source for the evaluation method is proposed.Firstly, by analyzing the traditional constant current source techno

9、logies and the status of domestic and inteinational cunent source products, this paper suiiunanzes the advantages and disadvantages of the tiaditional constant cunent source technology On this basis, put forward specific design solutions tluough the design requirements and specifications of the anal

10、ysis. Piogrammable cunent source designed with modular design has good expansion and portability, which also improve the cunent output range and precision at the same time Piogiam was designed to tlie specific design of each module and error analysis, and the lesults of enoi analysis demonstiate the

11、 feasibility of the design Tluougli the meticulous research of the cunent source output cunent stability of the factors, clear of the main factors of stability constant current source for the reference voltage and the VI converter sampling resistor. And point out that DAC peripherals stability and V

12、I circuit design is the key to impioving system In the software, use the filmware design on the host computei to contiol tlie output voltage DAC and calibiate output cunent calibration in the least squares method. Finally, on base of supplement and impiovement of the original standards set by the De

13、partment of Space, proposed design for the evaluation method, by drawing on the standards the DC cunent source industry standard test methods and complement and complete isAccording to proposed evaluation method. the constant souice is measuied-II-哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文and technical specifications are asse

14、ssed, experimental data prove that the maximum absolute enoi of tlie output cunent to less than IgA. temperatuie drift coefficient of lpA/°C, load, stability and other technical indicators were also achieve the desned design requiiements Therefore, the design of the piogiammable cunent source a

15、nd its assessment methods meet the demand for high-precision electronic devices.Keywords: constant cunent souice. evaluation methods, modular design, lugli precision, wide range-ni-目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1课题來源及研究的目的和意义11.2国内外恒流源技术研究现状21.2.1线性调节方式31.2.2开关式41.2.3控制理论51.3国内外恒流源产品现状61.3.1芯片级产品61.3.2模块化产

16、品71.3.3仪器仪表81.4恒流源性能评定现状101.5课题的主要研究内容10第2章 恒流源系统总体设计122.1恒流源系统总体设计122.2恒流源系统功能和技术指标分析122.2.1恒流源系统主耍技术指标定义12222恒流源系统功能和技术指标分析152.3恒流源系统总体设计方案172.3.1控制电压设计方案172.3.2 V-I转换设计方案202.3.3单环控制的设计方案312.3.4供电及电路隔离设计方案322.4恒流源系统误差分析332.5本章小结35第3章 恒流源系统硬件设计363.1 D/A转换器设计363.1.1 AD5791 芯片简介36AD5791外围电路设计38哈尔滨i:业

17、大学匸学硕士学位论文3.2 V-I转换电路设计403.2.1电路的稳定性与反馈的关系42322电流驱动芯片的作用443.2.3釆样电阻的切换463.3微处理器483.4供电设计493.5电路隔离技术503.6本章小结51第4章 恒流源系统软件设计524.1软件设计内容524.2 FPGA的固件设计524.3上位机软件程序设计544.3.1软件开发平台544.3.2仪器软面板设计流程544.3.3仪器软面板设计554.4本章小结56第5章 恒流源系统测试与评估575.1恒流源技术指标评定方法575.2技术指标的测试与评估595.2.1精度的测试与评佔605.2.2温度系数的测试与评估625.2.

18、3稳定度的测试与评估665.2.4负载的测试与评估685.3本章小结68结论与展望69参考文献70哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明74哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书74致 谢75-V-哈尔滨【业":匸学硕士学位论文第1章绪论1.1课题来源及研究的目的和意义本课题來源丁哈尔滨工业大学|'|动化测试与控制研究所的横向项目，研究 的目的是针对目询市场上宽范围、高粘度的恒流源价格昂贵、体积大，无法满 足高精度电子设备的要求，通过理论研究分析和硬件实验相结合的方法，提出 切实有效的解决方案。进而设计出能够为陀螺仪、惯牲导航等航天航空设备提 供稳定驱动电流的高椅度、宽动态范围的

19、程控恒流源。在航天及工业领域中，电了设备的稳定皮和粘密度备受人们的关注，而电 源是电子设备的工作基础。也就是说，设备的稳定工作除了与其工作的外碉环 境、条件有关外，很大程度也取决J：电源稳定度。电源分为恒丿E源和恒流源两 种儿冃前，程控恒斥技术已经很成熟，但是恒流方面特别是程控恒流的技术 还处任发展阶段，现有恒流源的价格都较为昂贵，产品种类也并不丰富。但在 实际应用中，尤其在仪器测试、h动化检测、电子通信等应用广泛的航天及工 业领域2】，恒流源作为不可或缺的仪器，人们对它的动态范围、粘度等耍求越 來越高，所以高性能的程控恒流源的设计和开发存在广阔的发展空间和巨大的 应用价值。目前，程控恒流源普

20、遍采用斥控方式【2,即首先产生控制电斥，然后经过 VI电路将控制电压转换为输出电流，这样就实现了通过控制电压的大小來调 节输出电流。但由丁控制电压产生方式，V-I转换实现方法以及控制输出电流 方式的不同，恒流源在输出范闌以及粘度上存在较大差异。任电机驱动和伺服 系统驱动等需要较大电流的应用屮，普遍采用场效应管及达林顿管等功率器件 实现V-I转换刃，且多采用单环路控制方式，由于功耗器件放大电流的能力可 达到儿百倍快至上千倍，所以这类恒流源的输出范惘可以安培级别以上，但受 功率器件桔度以及控制方法的制约，其椿度普遍低T l%04'5o在测试系统和医 学领域中，校准设备、可植入性技术等应用环

21、境中，多氏接采用电流输出型 D/A转换器或者运放來产生输出电流，虽然椿度能够在pA级别英至是nA级别 “刃，但受到D/A转换器和运放鬥身精度、输出范由等因素限制，输出电流范 用较小，所以该类恒流源动态输出范用通常不会达到十儿或者儿十mA：另 外，为保证电流输出特度和稳定性，很多设备大都采用了恒温装置或者散热装 置，这就会使设备变得结构复杂、体积大，不适合嵌入式应用9】。而在本课题 研究的陀螺仪驱动中,需要精度在S级别,输出范围在±100mA左右的恒流 源，显然上述的两类恒流源都不能够满足耍求。木文针对实际需求，对陀螺仪 驱动所需的恒流源进行设计，考虑到设计指标中的岛粘:度和宽动态范围

22、耍求， 本设计具有较强的挑战性，设计的成果具有明显的实用价值，同时本设计成果 也可为类似研究提供有价值的参考。1.2国内外恒流源技术研究现状最基本的恒流源如图1-1所示，由“虚短”和“虚断”可知，Rf上而 的电斥就是输入电床Vs，并且Rf和Rl上而流过的电流相等，所以可以通过 控制输入电压Vs來控制负载Rl上面的电流，实现了恒流的目的。图11基本恒流源原理目前的恒流源电路大都是在基本恒流源的电路基础之上，通过不断的完善 和改进，逐渐发展形成的。目前应用比较广泛的恒流源主耍有两种形式：脉冲 调宽式恒流源和线性负反馈式恒流源，下而分别对两种恒流源形式进行简 要的介绍。（1）脉冲调宽式恒流源这种恒流

23、源形式通过改变调整器的工作脉冲宽皮达到恒流的目的。虽然调 整器工作在开关状态，可以使恒流源的功率损耗变小、效率可高达70% 95%,但纹波电流大，辐射干扰强、恒流精度低。其输出范围可达数个安培， 但楮度指标多为1%10%FSR左右2】。（2）线性负反馈式恒流源这种恒流源形式通过线性调节V-I转换电路的控制电压，从而保证其具有 恒定的输出电流，具有火真小、稳定度高、纹波小等特点，但功率损耗大、效 率较低，主耍应用丁高粘度场合。由丁它们广泛采用了高稳定、高粘:度的能隙 苹准源和薄膜电阻，并采用了粘:密温度补偿技术或芯片恒温槽技术，以及负反 -#-哈尔滨【业丿、7【学硕士学位论文馈补偿技术，因此不仅

24、使电路具冇较高的椅庾、较好的时间稳定性和温度跟踪 稳定性，而且还具有快速稳定、低功耗、小体积、高粘:度、低温漂、低时漂等 特点。目前其动态范閘在数十到数白个mA之间，粘度指标在0.01%FSR左 右。通过对比两种恒流源形式的优缺点可得表11。由表1-1可知，两种形式 的可按照各H的特点进行进一步分类，按照电流的调节方式，可以分为线性调 节方式和开关方式，而按照控制理论來分类，则可以简单分为单环路控制式和 多环路控制式两种。表11两种恒流源形式的对比脉冲调宽式恒流源线性负反馈式恒流源优点功率损耗小、效率高，电流输出范閘人线性调节、稳定度高、纹波小缺点开关调节.纹波电流人，辐射干扰强、 恒流梢度低

25、功率损耗人、效率较低1.2.1线性调节方式功率管通常分为线性区和非线性区，而线性调节方式是指调棉电路（即功 率管）工作在线性状态的方式。为了使调整管流出的电流等丁负载上而的电 流，通常将调整管与负载按照串联方式进行连接，也有少数情况下，采用并联 的方式进行连接图1-2是一种按照串联方式进行连接的恒流源电路。由图1-2可见，功率管G1、负载Rl与反馈釆样电阻Rs构成一个串联回 路，因此流过它们的电流是相等的。负载电流Io流过采样电阻在Rs两端的产 生电压Uo,为了调整功率管G1的导通电阻，需耍先经过由U1和U2构成的 前端信号调理电路。开环悄况下，这样即便产生电压出现很小的电压变化，由 丁 U2

26、的增益很高，也会造成输出端产生很大的电压波动。为了保证Uo的稳 定，将Rs上面的电床Uo引入到输入端从而构成负反馈补偿回路，假定Rs的 值是稳定不变的，所以I。也恒定不变，这就构成了一个恒流源。调节U的值 即可改变输出电流的大小】。-3-哈尔滨i:业大学i:学硕士学位论文总的说來，线性调节方式的优点是噪声低、速度快（特别是并联调节方式 的速度比串联调节方式更快），缺点是功能单一，无法实现智能化的人机界 而。特别是功率管工作在线性方式，适成线性电源的输出效率很低、|'|身的成 本无法降低。解决方案是电路中增加微处理器（MCU）和DAC,由微处理器來控制 DAC输出电Ur,这时可以用微处理

27、器赫确控制输出电压的大小，从而准确 控制输出电流的大小。特别是微处理器可以凭借其丰富的外设接口，连接显示 设备或者按键，提高了人机交互的能力。并且可以增加LAN 口等数据传输接 口，实现远程控制。1.2.2开关式开关式恒流源是指电路中存在工作在开关状态的器件，通过调整电路控制 开关的状态实现输出电流大小的控制，具体电路如图1-3所示切。器U1和U2之后增加了一个比校器U3,为了使U3的输出端为方波，将比较 器的同向端与U2的输出相连，当在比较器的反向端输入一个固定频率的锯齿 波时，就可以通过改变控制电压的大小实现比较器输出端方波的占空比可调。 用此方波驱动功率管G1,由丁功率管的开关特性，使它

28、工作在开关状态。通 过分析可知，G1的发射极输出的波形为方波，将此方波经过由L1和C1组成 的滤波器后，输出稳定的电流给负载Rl11o由J：负载电阻 斑和采样电阻Rs 串联，所以流过的电流大小相同。为了使输出电流稳定，通过引入负反馈将输 出电流流过的采样电阻Rs上面的电床，送给负反馈控制电路以维持输出电流 的稳定。为了控制U3输出的方波的占空比，可以改变U的大小即可改变U2 的输出电压的血流有效值，从而控制G1输出电压的有效值，进而控制了输出 电流Io的大小。哈尔滨【业丿、7【学硕士学位论文由图13可见，由丁功率管工作在开关状态下，导通电阻小，所以造成的 功耗低，使得整个电路的工作效率非常高3

29、】。而且在输出部分采用了在功率 管的保护中很普遍的RC缓冲电路。RC吸收电路通过并联在开关管MOSFET 的漏极与源极Z间，在功率MOSFET截止时给MOSFET的漏极电流分流。因 此，开关式的恒流源效率一般都在80%以上，优秀的开关式恒流源一般都在 90%以上虽然开关式的恒流源可以通过增加微处理器來控制Ur,提高 输出电流的椿度，但是总的来说，它的椿度耍低丁线性调节恒流源。将两种控制方式的特点进行总结，可以得到表1-2。表1-2两种恒流源形式的对比线性调节恒流源开关式的也流源精度低效率低高控制方法单环/多坏控制均可单环/多环控制均可123控制理论按照控制理论來分类，可以简单分为单环路控制式和

30、多环路控制式两种。其中，可控恒流源构成单环路控制，由图14的PC机、MCU、DAC和V-I电 路组成，在单环路控制的基础之上，通过增加由ADC、MCU和DAC构成的 负反馈回路,形成多环路控制。其控制系统的结构可以描述为图1-4和图1-5 所示：PC机MCUDAC 卜4 VI 电路图1-4单坏路控制图15多坏路控制通过对比两种控制形式可知，单环路控制，结构简单、价格低、电流输出 精度、范I韦I主要由DAC和V-I电路决定，适合功耗、体积要求小的应用。而 多环路控制，由丁增加了负反馈电路，提高了电流输出的椅度和稳定度。但是 其结构复杂、价格高，适用丁高粘度校准仪器的设计。-5-哈尔滨丁业大学工学

31、硕士学位论文1.3国内外恒流源产品现状椿密恒流源传统上采用运算放大器、电阻和其它分立器件构建，但“在尺 寸、椿度和温度漂移等方面的不足。现在，高椅度、低功耗、低成本集成差动 放大器的出现，使得尺寸更小、性能更高的恒流源变成现实卩刃。因此随着科 技的不断发展，国内外市场上的恒流源产品的止朝着便携化、低成本、低功耗 的方向发展。总的來说，分为集成芯片产品、模块化产品以及仪器仪表产品三 个方向2°】。下面以一些公司的典型产品的特性进行比较说明各个方向的特 点。1.3.1芯片级产品冃前，恒流源在芯片设计方向上普遍采用线性调节技术，产品按照晴程进 行分类，主耍分为两种：一种为输出范I制小，椿度

32、高，代表产品为AD公司的 AD5410/AD542021J；另一种为输出范围较大，粘彼较低，代表产品为凌力尔 特公司的LT309222）o下而分别介绍一下两种产品的特点。（1）AD5410/AD5420AD5410/AD5420是低成本、精密、完全集成的12/16位转换器,提供可 编程恒流源输出，可满足工业过程控制应用的需求。提供电流范宙I可编程为 4mA-20niA> 0mA-20niA或者0niA-24niA的超最程，总非调整误差典型值为 ±0.01%FSR。它具有输出具有开路保护功能以及灵活的冷行接口（SPI、 MICROWIRE、QSPI和DSP兼容接口），可在三线式模

33、式下工作，虽小化了 隔离应用中所需的数字隔离电路。同时该器件还包含一个确保器件在已知状态 下上电的上电复位功能和一个将输出设定为所选电流范由低端的异步消零引 脚。（2）凌力尔特公司的LT3092凌力尔特公司生产的LT3092,其电流输出范朗为0.5mA200mA、两端可 编程恒流源LT3092是一款可编程恒流源。它仅需两个电阻器來设定一个 0.5mA至200mA的输出电流。众多的模拟方法适合于对输出电流进行主动编 程。LT3092可在未使用输入和输出电容器的悄况下实现稳定，并提供了高DC 和AC阻抗。此特点使得该器件能够在本质安全应用中运作，主耍应用在两端 浮动恒流源、可变恒流源以及电源限制器

34、等方而。这款器件的SET引脚具有1%初始准确皮和低温度系数。电流调节性能优 丁 10ppm/V （在1.5V至40V的电斥范由九LT3092在低至1.5V或考高达 40V时工作，它在1mA时提供100MQ阻抗，在100mA时则为1MS2。与其他-#-哈尔滨【业丿、;T.学硕士学位论文大部分的模拟IC不同，专用设计技术己被用來实现无电路旁路电容的稳定工 作，从而允许它提供A" AC阻抗和« DC阻抗。而且对丁较大设置电流或者高 电压，LT3092的功耗相对大。为了降低门身的功耗，通过一个外接电阻可将 部分功率转移到电阻上來降低芯片的功耗。为使器件稳定其实很容易，可以插 入一个

35、电阻与稳流器串联或者在器件的Vm和V°ut两端跨接电容器（某木上是 一个旁路电容器）或串联RCo这就是其木身有一个己知的阻抗，是它遇到未 知阻抗时能够稳定。LT3092能够在一种两端恒流源配置中运作（与信号线串联）。它非常适合 用來驱动传感器、远程电源，并作为一个用丁局部电源的粘准电流限制器。该 器件的内部保护电路包括反向电池和反向电流保护、电流限制和热限制。LT3092 采用 8 引脚 TSOT-23. 3 引脚 SOT-223 和 8 引脚 3mmX3mmDFN 封 装。将LT3092的技术指标跟AD5410进行对比，可得到表13。表1-3芯片技术指标对比AD5410LT3092

36、输出范围4niA20niA 或 OmA20mA 或 0mA-24niA05mA 200mA梢度0.01%ofFSR1% of output温漂±3 ppm of FSR/ °C1% of output/°C1.3.2模块化产品目前市场上恒流源的模块化产品主要是基于VXL PCI以及PXI等工业总 线的板卡模块，例如：Agilent公司的E1328A、我国航天测控公司的 AMC4401A以及哈工大测控所研制的PCI恒流源模块，三种模块的主要技术 指标如表14所示。表14模块化产品主耍技术指标対比产品AgilentE1328A (VXI)航犬测控AMC4401A (P

37、XI)哈丁人测控所 PCitU流源模块输出范由±24mA4 20mA 020mA»0 24mA5050mA<4pA±(0.1% 设定值+5pA)<6pA稳定度24-hour:±(0.05% of output+7|.iA)90-day: ±(0.15% of output+59pA)通道数4163AMC4401A是基丁 PXI总线的16通道高粘度隔离模拟输出模块，输岀电 压值和电流值都可程控设泄23】。模块的16个通道可单独设置输出方式，所有-7-哈尔滨丁业大学丁学硕士学位论文 通道可独立更新输出值。该模块在恒压输出时，电压的输出范

38、围为 10V+10V,输出分辨率16b”，最大驱动能力为10mA；模块在恒流源输出 时，输出分辨率16bit,电流输出范围为024mA，电流输出精度± （0.1%设定 值+5uA）,电流输出最大负载能力为5000：当电流输出开路时，模块具有输 出开路报警功能：在电床输出时，模块具有输出短路保护及远端补偿功能。在 电压和电流输出时，模块具有外部校准功能。Agilent的E1328A是基丁 VXI总线的4通道髙椅度隔离模拟输出模块， 具有门动校准功能0】。E1328A的模拟通道可以通过并联或者串联增加电流或 者电压的输出能力。上述两种恒流源模块均可作为高楮度电丿E和电流激励源可 应用于过

39、程控制和测试测量等领域。而哈工大测控所棊于PCI总线的程控恒流源模块。在该恒流源模块中， 以16位DAC产生高椿度控制电压，采用具有极低偏移和温漂特性的运算放 大器实现VI转换，采用24位ADC对输出电流进行采样，利用采样结果进行 多环路控制，确保输出电流榴度高、稳定度好。并且在V-I转换电路慕础之 上，利用运算放大器并联技术，增大了恒流源的输出范闌刃。在±50mA的电 流输出范用内，电流榕度达到最大绝对误差不低于6MAo由于哈大测控所的 恒流源模块，电流输出范围大、精皮高，主要应用在陀螺仪、惯性导航等航 天、航空设备方而。1.3.3仪器仪表冃前很多国内外的仪器公司都有其典熨的恒流源

40、产品，例如：美国吉时利 公司6221、日本横河公可的GS200、美国Fluke公可的5700A和5720A以及 上海金壤电子科技有限公司JBP系列程控恒流源等。下而简耍介绍一下国内 外仪器公司的恒流源产品特点。（1）美国吉时利公司6220/6221该系列产品是冃前业内业界唯一的低用交、克流恒流源，快速、崗宥度和 内置的控制功能，使得吉时利6220/6221系列成为下列应用的理想选择，例如 霍尔测量、Delta模式电阻测量、脉冲式测量、以及微分电导的测量等0】。（2）口本横河公司的GS200GS200是苴流电斥/恒流源，拥有高精度，高稳定性，高的分辨率。凭借 其出色的可跟踪性，稳定杵和5 l/2

41、-digit决议，GS200产生非常低噪音苴流电 床和电流信号，是许多应用的耍求。值得一提的是，GS200连续双极输出功 能不采用机械式节点转换信号°因此.在极性反转时没有异常电压（或电流） 产生。这使得从最大负输出到最大正输出之间的过程可以实现真正的连续可变哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文输出，在过零比较器的评价、程序输出时的极性反转等方面发挥作用绚。(3) 美国Fluke公司的5700A和5720A美国Fluke公司的5700A和5720A代农了恒流源在仪器仪表方向的领先 水平，通过不断的改进、提高，5700A B经演变为57OOA系列II。这是Fluke 公司生产的、经过大最测试

42、证明、极为可靠的、离精度校准器。5700A B经在 全世界的范围被看作是校准器的标准，具有很高的价值，并能够提供覆盖校准 5 1/2位至7 1/2位数字多用表的准确®27o在此基础之上，后來研制出來的5720A能够给出的性能还有很多。除了 使5700A首屈一指的可靠性、简化的校准、易丁使用和全世界范圉的支持能 力之外，5720A还能够给出当今举世无双的多功能校准器不确定度技术指标。 用户使用5720A可以迅速、简便、可靠地校准高达8 1/2位数字多用表的最高 的工作负荷耍求。这种性能的提烏是通过设计出众多唤件和软件的改进而实现 的。而国内典型的恒流源产品有上海金壤电子科技有限公司JB

43、P系列程控恒 流源和北京亿良科技有限公司的YL4012-50高精度数控直流恒流电源。卜面 以上海金壤电子科技有限公司JBP系列程控恒流源來分析一下国内恒流源产 品的特点，JBP系列产品是一款线性结构，低纹波的电源，恒流输岀精度极 高，电流/电压高分辨率为ImA/lmV。采用高速CPU处理器，响应快速，及 内部16bit A/D及12bit D/A数据处理。这些仪器采用不确定度來表示精度，其绝对不确定度包括稳定性、温度系 数、线性度、电源和负载调整率，以及对外部标准的溯源性。在确定校准器的 不确定度和被校准仪器的不确定度之间的比值时，不必在绝对不确定度上增加 任何东西，将国内外仪器公司的恒流源典

44、型产品的特性比较如表15所示。表1-5恒流源典型产品特性比较产品输出范ta口本横河仪器公司的新横河GS200±0.03% 输出+5pA最人输出200niAFluke 5 700A45ppm 输出 +0.01 pA022mA45ppm 输 lLi +0.1 |1A22mA、22mA55ppm 输出+lpA22mA220mAFluke 55OOA0.010% 输出 +0.05pA0329999mA0.008% 输出 +025pA329999mA329999mA0.008% 输出 +3.3pA32.9999mA-329.999niA哈尔滨【业丿、;T.学硕士学位论文表1-5 （续表）北京亿

45、良科技有限公司YL4012-50±0.05% 输出 +0.1 nA最人输出200niA上海金壤电子冇限公司的JCP系列最大绝对误差lniA010A1.4恒流源性能评定现状随着恒流源在航天航空、电子测量等领域的广泛应用，越來越多的使用者 需要对其恒流源产品的技术指标进行测试和评估，虽然国家丁- 2004年发布了 关丁低床H流电源设备的性能特性的国家标准，但是该标准仅适用丁输出苴流 电压在250V以下，功率小丁 30kW,由600V以下交流或厲流源电压供电的 低压电源设备（包括开关型）绚，而关丁恒流源性能的评定还没有一个统一 的国家标准，因此大部分行业I'l行制定了关丁恒流源性能

46、特性评定的行业标 准。例如：原航天工业部于1987年施行的肖流标准恒流源检定方法，中国计 最院和中国电子科技集团43研究所内部制定的恒流源检定方法等29】卩0】。值得 一提的是，航天工业部制定的恒流源检定方法对基本误差、输出电流稳定度、 负载调幣率等各项技术指标如何检定进行了详细的阐述，同时，它的制定为许 多行业制定各|'|的行业标准提供了依据，因此对丁恒流源性能评皑方法的研究 具有很大的参考价值。1.5课题的主要研究内容随着筒粘度应用场合对恒流源的性能和体积的耍求越來越高，现有的恒流 源模块化产胡或者芯片级产品无法满足应用需求，而且没有统一的国家标准來 评定恒流源产品的性能指标。高精

47、度的仪器仪表虽然性能方面能满足应用需 求，但是价格昂贵、体积大等问题使它无法得到广泛的应用。本文在分析成熨 的恒流源电路结构和产品现状的基础之上，采用理论计算和电路仿真相结介的 方法探究影响恒流源粘:度、输出范围以及稳定度的根本原因，为了进一步证明 研究结果的正确性，进行了恒流源硬件电路设计。最后，通过基丁硬件电路的 实验來体现研究成果的正确性。总的來说，本文具体的研究工作分为三个方面，具体内容如下：（1）高椿度程控恒流源的原理研究首先通过分析现有恒流源的电路设计，归纳总结了影响恒流源粘:度、稳定 度以及输出范围的因索，然后对如何提禹精度、稳泄度与宽动态输出范困进行 了原理研究并提出了解决方案

48、。垠后，为了验证解决方案的iE确性和可行性， 进行了原理样机设计，并对影响原理样机硬件电路匚作的因素进行了相应的研-9-哈尔滨i:业大学i:学硕士学位论文(2) 高粘:度程控恒流源的性能测试方法研究通过分析和研究原航天部以及其他行业的恒流源性能评定方法，在此基础 之上，提出适用于本设计的校准规范和评价标准。(3) 系统性能测试分析对前面设计提出的硬件电路，采用H行提出的恒流源评定测试方法进行性 能测试，并根据测试结果探究影响系统椿度和稳定度的主耍原因，针对这些问 题，给出合理的解决方案和优化设计。本文共分为5章，内容如下：第1章分析了冃前比较成型的恒流源电路、恒流源产品的特点、现状以及 恒流源

49、产品的评定现状，提出了课题的研究目的、难点和内容。第2章11先介绍恒流源的主耍功能和技术指标，并结介功能需求和技术指 标进行了分析。然后从恒流源粘度、稳定度和输出范围等角度对比分析现有的 恒流源电路，提出可行的原理设计。根据原理设计，分别从器件、V-I转换等 方面进行设计分析，并确定出器件的型号和转换电路结构。最后通过理论 计算方法來论证原理设计的可行性。通过理论计算的结果分析影响系统稳定性 的主耍因素，并针对主耍因素提出了原理解决方案。第3章在原理设计的基础之上，进行的恒流源硬件电路设计，主耍是D/A 转换器的外围电路设计、V-I电路的优化以及电源处理等方面來进行具体的阐 述。第4章介绍了恒

50、流源的软件设计，从上位机程序设计和FPGA逻紺设计 两个方面进行了具体的阐述。第5章在总结和分析恒流源的行业标准基础之上，提出了适用丁本设计的 恒流源标准评定标准。最后采用提出的评定标准对恒流源相应的技术指标进行 测试并对测试结果进行分析和评价。-11-哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文第2章恒流源系统总体设计恒流源系统能够为负载提供恒定的电流。但是传统的恒流源系统存在高粘 度与宽动态输出范I韦1Z间的孑盾。为了解决这一矛盾问题，本章在分析恒流源 的主耍功能和技术指标的某础之上，通过借鉴传统恒流源设计提出原理设计。 为了保证设计的介理性和正确性，分别对原理设计中的线性调节电路、单环控 制以及器件的

51、选取进行了原理设计和误差计算。2.1恒流源系统总体设计恒流源系统在最程范用内能够输出恒定的电流，可通过上位机的软面板控 制电流的输出大小、选择输出通道以及控制电流内/外置输出。在工作温度范 围内，具有输出电流稳定度拓、粘:度高等优点。而且相比丁常规的恒流源校准 仪器体积小，便携性强。它的技术指标如表2-1所示。表21恒流源系统的技术指标参数技术指标输出电流范禺-100mA+1 OOinA分辨率IgA输出电流精度最人绝对误差WlpA稳定度量程的0.003%温度系数5ppm/°C （lpA/*C）最人负我低于100Q （10niA最程） 低 p 5QQ （lOOniA 駅程）输出通道路数

52、3个工作环境温度范川10°C40°C表21中关丁谢度、稳定度以及最大负载均是指在室温环境下恒流源的技 术指标，而温度系数是指在整个工作温度范围内的技术指标。2.2恒流源系统功能和技术指标分析恒流源作为稳定的电流输出仪器，既可以作为校准源（标准源）也可以作 为功率源，应用前景广泛。因此，在进行设计恒流源的过程中，除了耍学握恒 流源的现状和工作原理，了解其主耍技术指标的具体涵义是很有必要的。221恒流源系统主要技术指标定义恒流源的主耍技术参数为：基本误差、输出稳定性、最大负载等2730o 下而分别介绍各个指标的具体定义。表示恒流源准确度有三种表达方式，分别如下：-13-哈尔滨丁

53、业大学工学硕士学位论文准确 JS = ±（a%RDG+b%FS）（2-1）准确度=±（a%RDG十D个字）（22）准确度=土（a%RDG十b%FS+n 个字）（2-3）式（2-1）中，RDG为读数值（即显示值）,FS表示满度值,括弧中前一 项代表D/A转换器和功能转换器的综合误差，后一项是由于数字化处理而带 來的误差。式（2-2）中，n是最化误差反映在末位数字上的变化最，若把n 个字的误差折合成为满量程的百分数，即变成式（21）。式（2-3）比较特 殊，有些厂家用此种表达方式，后两项中有一项表示其它环境或功能引入的误 差。楮度取决丁包拾在测量值屮的误差值。精度规范表示如下：

54、“读数的十量 程的”。在本式中，“读数的”与读数成比例，而“量程的”是偏移值。 这些现范是针对每个测量最程而制订的。而数字多用表的精度是指在特定的使 用环境下，出现的最大允许误差均。因此恒流源主耍用下式來表示粘:度：=± （a% Ix+b% Im）（2-4）式（2-4）中：I表示被检源的设定值，J为被检源的满度值，a与读数值 有关的系数误差，b与满度值有关的误差系数。下面简耍的介绍一下恒流源的其他主耍技术指标：（1）电流输出范围恒沅L源稳定输出电流可以调节的整个范用。（2）温度系数恒流源电流的温度特性是衡最其件能好坏的一个暇要依据，而温度系数乂 是反映其温度特性的基本参数3】。它的定

55、义由式（25）给出。式（2-5）屮为温度系数，厶为被测电流，T为温度。由丁温度系数的 数值比校小，习惯上会在它的数值上乘以10耳单位为ppnVC o（3）最大负载fl流输出电圧的增最变化与H流输岀电流的削帚变化之比，其中一个杲由 另一个暈和外部因素所决定。（4）电流稳定度恒流源经预热预调后，各量程输出均接近满量程的某一电流值上，在时间 间隔内（通常为30分钟）连续工作，记录输出电流的变化，测最不少于35 次，由记录值中找出电流的最大值和最小值，由下式计算出电流稳定度。哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文S=(Inux-Inun)/InX 100%(2-6)式(2-6)中：S为测量输出电流的稳定Jjt

56、； Imax和Inun分别为规定时间间 隔内输出电流的最大值和最小值，In为输出电流的额定值。至于长期稳定性的 检定，中间可以断电，但不得重新校准。(5) 工作环境温度范圉工作环境温度范围：通常选为0°C50°C。为了进一步说明恒流源各项技术指标的具体涵义，以恒流源产品中性能指 标最优的5700A为例进行说明。表2-2为Fluke公司生产的5700AII系列的电 流技术参数27】。表2-2 57OOA II系列肖流电流技术参数99%置信度最程分辨率绝炖不确定度，校准时温度±5°C,磁场强 度0.4V/m, W3V/m时.增加最程的1%相对不确定度±C24小时90天180天1年24小时90天nA土 （ppm 输出 +11A）±（ppm 输出+nA）220pA2.2111A22mA0.111045+1045+10 45+10050+1050+10 50+10055+1055+10 55+10060+1060+10 60+10024+224+5 24+5026+226+5 26+50PA±（pp m 输出+pA）±（ppm 输出 +