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第九届ICEMI国际电子测量与仪器会议
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：pengyu@hit.edu.cn
摘要 ——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。此外，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，误差小于3 mu;A，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〜32mA[4]。
图1——Howland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——“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。此外，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。
图——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DSP TMS320LF2407被选择作为控制电路的核心，逻辑控制电路基于Altera的FPGA EP1C6Q240。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的工作原理，接着我们将详细介绍本设计细节。
- 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“”之间的关系可以如下描述：
（2—1）
和是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，是控制电压，而是输出负载RL的电流。 A2和A3都是电压跟随器。不过，A3与取样电阻串联，这与相同，这确保了输出电流和都是恒定的，两者整个输出电流值的一半。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：
（1）
（2）
（3）
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）
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plusmn;13.5V（当电源电压为plusmn;15V），因此，当负载大于140Ω，输出电流不能达到设计plusmn;50mA范围。为了解决这个问题，在R1和R3之间，我们可以修正比例系数，因为：
（5）
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0.1permil;，温度漂移系数5ppm/℃。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选择为差分信号放大。PGA204是美国增益可编程仪表放大器，其高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，其值是10倍Ca。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5ppm/℃，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TMS320F2407，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FPGA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，选择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）。（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50Ω放置到电流源电路的输出串联回路中，设置为100mu;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plusmn;（满刻度百分比） |
1天的稳定性plusmn;（满刻度百分比） |
温度系数plusmn;（装置的百万分之一） |
|
100mu;A |
102.8mu;A |
101.2mu;A |
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