專利名稱：適用于具有電感元件可變負載的電流源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包含一個電感元件且阻抗值在相當大范圍變動的負載所用的電流源，特別涉及用于這樣負載的一種電流源，通過該負載的電流方向必須交替變化。
在很多應用中需要能提供相對恒定電流的電流源，至少對于連續(xù)的時間區(qū)間是如此;其中包括這樣的應用場合，對于這些時間區(qū)間要求建立起相對恒定的磁場。如果電流流動方向在每個時間周期都必須反向并且這些周期具有較短的持續(xù)時間，要使電流在這些連續(xù)的時間周期中保持恒定是很困難的。在要求電流恒定的區(qū)間周期性出現(xiàn)的情況下，每個周期之間電流方向都要反向，其反轉頻率相對于提供該電流的系統(tǒng)中存在的各種時間常數(shù)而言是很高的，這時要保持電流恒定尤為困難。
會出現(xiàn)這些條件的這樣一個系統(tǒng)是電磁流量計。在這些系統(tǒng)中，穿過一個測量管建立起一個磁場，一種液體或液體狀的物質在管中流動，該物質至少呈現(xiàn)出某些導電性。與電磁場理論相一致，導電介質通過磁場流動會導致建立起一個電動勢或電壓，它與介質流動方向和磁場方向二者垂直，電壓與流體流動的平均速度成正比。在原來產生電壓的位置設置電極，便可獲得一個線性代表流體速度的信號，從該信號中可確定該液體的流量。
然而，如果磁場在量值和方向上保持不變，由于流體流動感應信號所產生的不變極性的電壓部分就不能從電化學電勢部分中分離出來，后者是由于流動的流體和敏感電極共同產生的。此外，在流動的流體中建立起來的直流信號電流與其流動方向垂直，可導致兩個靈敏電極過長時間地極化，從而對代表流量的輸出電壓信號產生有害的影響。為了避免這種結果，通常對流體管在相反的方向交變地施加磁場，以抵消這種橫向電流的流動，這樣就避免了靈敏電極的凈極化。
通過流體管的磁場反轉或方向交變的頻率對電磁流量測量系統(tǒng)的性能有影響。一方面，一個較高的反轉頻率將進一步把該頻率與取自敏感電極信號中的噪聲分離開，這是一種可被描述為l/f的噪聲。另一方面，載有來自靈敏電極信號的信號傳輸導線作為傳輸線路，如果數(shù)據(jù)記錄地點與流量測量地點相距甚遠，該傳輸線可能相當長。在這種情況下，傳輸線的分布電容和流體的電阻將具有低通濾波器的電氣特性。因此在某種程度上，由于聯(lián)接信號導線的濾波器作用，增加換向頻率會導致從這些電極所獲得的信號幅度在數(shù)據(jù)記錄地點減小;換向構成了來自靈敏電極電信號周期性變化的基礎。
在電磁流量計系統(tǒng)中，在所施加的磁場交變的任何周期都希望在從傳感信號中獲取代表流量的數(shù)值期間內在磁場線圈中有一個恒定的電流流過。如果在獲得傳感信號值期間內磁場是恒定的，在附近的系統(tǒng)部分就不會采集到很多感性信號，該系統(tǒng)部分包括在用來獲取來自靈敏電極的流量表示信號或傳感信號的裝置中。這樣，在這個傳感信號中就會呈現(xiàn)出較小的噪聲式偏差。
然而，當所施加的磁場的換向頻率增加時出現(xiàn)了困難。流體中的磁場強度B來自于在電磁流量計測量系統(tǒng)中流過的不同的電流，包括(ⅰ)從一個電流源中施加到線圈中的電流，以提供所需要的磁場;(ⅱ)所感應出的渦流，在導電的測量管中和磁回路的磁性材料中流動。由于渦流的屏蔽效應，在流動的流體中磁場強度B在電流反向后按指數(shù)規(guī)律達到一穩(wěn)定值。因此，在流動流體物質中場強B的變化滯后于引起該變化的外加電流的變化;換向愈頻繁，即換向周期愈短，在磁場方向交變的每個周期中就有更大的部分出現(xiàn)這種滯后。
因此，當換向頻率增加時，在每個周期中磁場B維持恒定的時間愈來愈少，從而導致在來自靈敏電極的傳感信號中獲得檢測值的時間愈來愈少，該檢測值基本上與感性噪聲無關是由于采集的感性噪聲有時間衰減的結果。當頻率增加到某種程度，就會導致由靈敏電極提供的信號中的噪聲增加，并可能引起傳感信號的幅值大為減小，因為在每個周期中由于渦流的影響使磁場B大為減弱。
如果在電磁流量計系統(tǒng)中所提供的電流在每次電流方向反向后也具有相當長的上升時間，上述后一種情形會更為惡化，電流的換向是為提供外加磁場B的相應換向所需要的。在電流方向反轉后，延遲锏剿蟮暮愣ǖ緦髦狄駁賈略詿懦》較蚪槐浜蟮娜魏沃芷謚杏傻緦魎拇懦和感應的渦流保持一恒定值的時間縮短。因此，要求縮短在流向反轉后在電磁流量計中用來提供磁場B的電流的上升時間。
本發(fā)明提供了一個由可變勵磁系統(tǒng)或電源供電的電流源，用來在電流方向反轉的周期之間在所選擇的大范圍變動阻抗的負載中建立起相對恒定的電流。該電流源包括一個電位調節(jié)器，用來調整所供給的電位，通過一個電流控制器提供一個電流;一個負載和一個電流靈敏裝置，該裝置提供一個信號給電流控制器。另有一個功率調節(jié)器，它從電流控制器接收信號，并提供一個輸出信號給電壓調節(jié)器以調整其輸出。借助于一個開關換向器電路可以使供給負載的電流交替地變換通過該負載的電流方向。裝設有一個電流上升時間調節(jié)器，以便在負載換向后增加電流的上升時間。


圖1A和1B表示出按照本發(fā)明的一個電路的原理電路圖;
圖2A到2E表示圖1電路的幾個波形的特征。
圖1A和1B可以沿L-L′線連接起來，組成本發(fā)明的一個實施例的原理電路圖，此處用于一個電磁流量計系統(tǒng)中。一個恒定的極性電壓在一對端子之間向該電路供電。一個典型值為40.0伏的正電壓施加在正電源電壓端子10上，相對于一個在電氣上連接到地參考端子11上的電路公共端或參考地電壓。
圖1電流源電路的負載元件由一個電磁流量計線圈12和由電阻12A代表的電纜組成，它們連接到一個由四個開關型金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET′S)13、14、15和16構成的換向橋式電路上。這個換向電路由一個換向器電流方向切換邏輯和開關晶體管驅動電路17所操縱。電路17首先切換晶體管13和16在接通(“on”)狀態(tài)，而晶體管14和15在斷開(“off”)狀態(tài)，接著就翻轉每一對晶體管的這種狀態(tài)，此后使這兩對晶體管在這些狀態(tài)之間輪流交變。這樣，在這種周期性切換的一個循環(huán)的前半個周期內，在第一種狀態(tài)下電流可流入晶體管13的源極，然后流出它的漏極，通過線圈12流入晶體管16的漏極，再通過晶體管16的源極流出。在該循環(huán)的后半個周期內，電流通過晶體管14從源極流到漏極，然后以與前半個周期流過線圈12電流相反的方向通過線圈12，再通過晶體管15從漏極流到源極。
這樣，線圈12周期性地有一個電流以相反的方向通過，提供一個周期性變化的傳感信號，并且避免在電磁流量計系統(tǒng)測量管12′中靈敏電極被極化，在電磁流量計系統(tǒng)中線圈12安裝在測量管12′上面。切換邏輯和驅動裝置17可以由任何適用的電路構成，它對晶體管13、14、15和16提供適當按時選通的電壓脈沖，以產生所敘述的切換順序。由裝置17設定的電流方向反轉的頻率是可選擇的，以便選擇最佳頻率來適合所遇到的流量測量條件，特別是被測流體的參數(shù)。這種流體參數(shù)對不同的流體可能差別很大，最重要的有代表性的參數(shù)是流體的電導率及其l/f噪聲特性。
一個電容器18和一個電阻19相串聯(lián)，與由線圈12和電纜12A組成的負載并聯(lián)在一起，在切換的瞬間為線圈12的電感提供一個放電通路，這時所有的換向器晶體管可能瞬間處于部分斷開(off)狀態(tài)，當線圈12周圍的磁場消失時，為這個能量提供一個具有選定時間常數(shù)的暫時放電通路。所選擇的典型元件值對電容器18為0.22微法，對電阻19為8.7千歐，以防止線圈12的電感性脈沖超過換向器開關的額定值。
伴隨負荷的是一個等效的串聯(lián)電阻，這是由于線圈12的內電阻和線圈12與晶體管15、16漏極之間的互連傳輸線電阻12A產生的，晶體管15和16的漏極作為電流源的負載端子。由于電磁流量計將安裝在許多不同的場合，因此該互連傳輸線的長度可能變化很大，對于不同的場合這種互連產生的串聯(lián)電阻的數(shù)值將會有很大不同。在某些測量情況下溫度變化范圍很大，以及從一種測量情況到下一種情況將會進一步擴大該電阻的變化范圍。
線圈12本身從一種測量場合到另一種場合具有較寬的電感和內電阻變化范圍。提供連接到測量管靈敏電極上的傳感電路典型地要求對于通過測量管流體的同樣流動速度，采用同樣的外施電流的情況，從一種測量場合到另一種場合，在這些靈敏電極上的信號應基本上具有相同的數(shù)值。由于測量流量管的直徑從一種測量場合到另一種場合可能在幾分之一英寸到幾個英尺之間變化，因此線圈12的電感和內電阻必須有很寬的變化范圍，以使用于這些不同的測量流量管。
因此，線圈12所連接的換向器電路負荷端子之間的電位在不同的場合必須在很大范圍內變化，以使在每種場合下對線圈12提供絕對值基本相同的電流。如上所表明的，在每種測量情況下要求絕對值類似的電流，以保證由此建立的磁場具有所希望的量值，從而提供一個通過流量管的流速表示信號，該信號在每種場合下對于傳感信號采集電路12″都是在相一致的基礎上產生的;電路12″連接到管12′中的一對靈敏電極12′″上。此外，如上所述，通過線圈12的電流在每個交變周期沿每一個方向流動期間必須在足夠長的時間段內保持恒定，以容許在連接到流量管電極上的同一個信號采集電路中獲得精確的讀數(shù)。
如果相當大的等效電阻與線圈12相串聯(lián)，并且線圈12具有相當大的電感，在最高的換向頻率下在每次外加電流流向反轉后需要使電流值迅速增加，在這種情況下要求在換向器電路引線端子上提供一個相當大的電壓。然而，在其它測量情況下，對于在這些端子上電路所提供的電壓要求有效利用電功率;在這些情況中，采用了較低的外加電流流向反轉頻率;或者較小的等效電阻與線圈12相串聯(lián);或者線圈12具有較小的電感;或者是這些減小了的值以組合形式同時出現(xiàn)的情況。這樣，圖1所示的其余部分電路是針對提供這樣的結果設計的。
由于在不同的情況下，在連接到線圈12的換向器負載端子上要求不同的電位，而在每種情況下對于交變的半個周期在負載端子之間以交變方向流動的電流需要基本上保持恒定值，圖1的電路必須提供這樣一個數(shù)值變化的電壓，但對每個電壓要供給具有良好控制的電流。這種功能只要在一個單一的反饋回路中改變一個電壓供給裝置的輸出電壓就可以實現(xiàn)。然而，為了保持令人滿意的功率利用效率，需要有一個切換調節(jié)器作為電壓供給。眾所周之，這種切換調節(jié)器響應于其輸入端的變化調節(jié)信號，在其輸出端調節(jié)輸出電壓值具有延遲。這意味著由于條件的變化當出現(xiàn)電流值偏差時在調節(jié)電流過程中具有較慢的回路響應，而在變化的條件下在交變的半個周期中必須滿足所要求的固定電流值。
代替上述方案，圖1的電路具有兩個反饋回路，實際上分別控制電壓和電流。此處也使用了一個切換調節(jié)器用以維持功率效率，該調節(jié)器部分以商品化的通用單片集成電路為基礎，在圖1的電路中實際所用的部分以框圖的形式在虛線框20中表示出來?？蛑車鷪A圈中的數(shù)字是該商用集成電路的插腿號，該電路可由UIC(UnitrodeIntegratedCircuits)提供，牌號為UC494A。
在框20中，一個誤差放大器21接收由外部電路部分測得的表示調節(jié)器輸出電壓誤差的信號，該信號連接到它的反相和同相輸入端。外部反饋元件包括一對電阻22和23，以及一個電容器24，用來整定包括誤差放大器21電路的增益，同時也整定其頻率響應，如后面所述。
誤差信號經過放大后由放大器及其有關電路提供給一個比較器25的同相輸入端。另一個供給比較器25反相輸入端的信號是一個固定頻率振蕩器26的輸出。比較器25比較濾波的和放大的誤差電壓，由誤差放大器21的輸出提供信號，并由振蕩器26提供固定頻率的周期性鋸齒形輸出電壓，在比較器25的輸出端產生一個具有可變寬度的脈沖輸出信號。
也就是說，一個脈沖寬度調制信號在比較器25的輸出端提供給一個數(shù)字電路裝置27，它提供某些邏輯功能，在邏輯電路27的輸出端產生一個切換信號作用在一個npn雙極晶體管28的基極上，其發(fā)射極連接到地參考端子11。晶體管28按照比較器25輸出端提供的信號從接通(“on”)狀態(tài)切換到斷開(“off”)狀態(tài)，然后返回，交替進行;切換的方式為，晶體管28在接通狀態(tài)與在斷開狀態(tài)的相對時間可以根據(jù)比較器25脈沖寬度調制輸出信號的脈沖寬度來調整。
振蕩器26的固定頻率通過選擇電阻29和電容30的值來選定，電阻29和電容30連接到框20中的集成電路和接地參考端子11上。為設定振蕩器頻率在大約40千赫所選擇的電阻29的值為13千歐，電容30的值為2200微微法。
來自振蕩器26輸出端的固定頻率振蕩信號也提供給另一個比較器31的反相輸入端，一個電壓參考電路32提供一個典型值為5.0伏的固定輸出電壓，其一部分通過一個分壓器電路供給比較器31的同相輸入端，分壓器電路連接在電壓參考電路32的輸出端和接地參考端子11之間。該分壓器由一對電阻33和34，以及一個電容35組成，電容35與電阻33相并聯(lián)。這些元件的典型值是電阻33為390千歐;電阻34為100千歐;電容35為10微法;電容35的作用是在開始施加電路功率時，推遲在比較器31輸入端所提供電壓的減小，以延遲起動該切換調節(jié)器的運行。
在電阻33和34連接點產生的電壓提供給比較器31的同相輸入端，該電壓確定了晶體管28處于斷開狀態(tài)的最低限度的時間，限制了它在接通狀態(tài)的時間，以防止由于電流通過的時間太長來不及散熱使電源部件受到損害。比較器31的輸出也提供給控制邏輯電路27以實現(xiàn)控制晶體管28的目的。
晶體管28控制另一個晶體管36，它是在框20中的集成電路外部的一個pnp型雙極晶體管。晶體管36的發(fā)射極連接到正電壓源端子10，晶體管36的集電極連接到一個電感37，電感37又連接到一個電容38，該電容連接在電感37和接地參考端子11之間。電感37和電容38也是在框20所示集成電路的外部。電感37和電容38的連接點形成了圖1切換調節(jié)器的輸出端，并且共同組成了一個低通濾波器，在晶體管28和框20中集成電路其余部分的控制下通過晶體管36接通和斷開狀態(tài)的切換，將其提供的電壓脈沖求得平均值。電感37典型值為220微亨，電容38的典型值為10微法。
晶體管36的集電極也連接到一個二極管39。二極管39的負極連接到晶體管36的集電極和電感37的連接點，其正極連接到接地參考端子11。當晶體管36在晶體管28的控制下在斷開狀態(tài)和接通狀態(tài)之間來回切換并處在斷開狀態(tài)時，二極管39為通過電感37的電流提供了一條通路。
晶體管28通過一對電阻40和41控制晶體管36的切換。如果晶體管28處在斷開狀態(tài)，沒有什么電流流過電阻40或41，結果晶體管36的基極處在近似為正電壓源端子10上出現(xiàn)的電位。另一方面，如果晶體管28在接通狀態(tài)，它的集電極將通過電阻40和41拉電流，使晶體管36的門電位充分降低以將其切換到接通狀態(tài)。
因此，在電感37和電容38的連接點上提供了不變極性的電壓或直流電壓，作為操縱線圈12的電能來源，如同將在下面敘述的那樣。該電壓的數(shù)值被在誤差放大器21的輸入端上出現(xiàn)的信號所控制，下面將描述所使用的可調整電壓的能力。
這個來自電感37和電容38的連接點的被調整電壓的應用，以及由此提供的電流，在其施加到上述換向電路(包括線圈12)的過程中被另一個P溝道的MOSFET42所控制;它的源極連接到在電感37和電容38連接點的切換調節(jié)器的輸出端所提供的調節(jié)電壓上。晶體管42又被一個第一反饋回路所控制，在該切換調節(jié)器輸出端提供的調節(jié)電壓值下向換向電路供給電流。這個反饋回路又包括一個二極管43，其正極連接到晶極管42的漏極，其負極連接到換向電路，準確地說是與晶體管13和14的源極連接在一起。該回路在換向電路的另一側以一個電流傳感電阻44延續(xù)下去，電阻44連接在晶體管14和16共同的源極與接地參考端子11之間。電阻44的典型值是2.0歐。
這個反饋回路由一個驅動晶體管42柵極的反饋放大器電路完成。這個反饋放大器電路包括一個運算放大器45，它是一個高電壓型的放大器，因此其輸出可以上升到最大的正電壓水平，它出現(xiàn)在電感37和電容38連接點的切換調節(jié)器輸出端，該電壓大約為38.0伏。放大器45的同相輸入端在電氣上通過一個典型值為10千歐的電阻46連接到電阻44和晶體管15和16共同源極的連接處。電阻46用來整定放大器45電路的頻率響應，與一個放大器45附近的較小的反饋回路有關，如同下面所述。這樣，通過線圈12的電流在電阻44兩端產生一個電壓，該電壓提供給放大器45作為流過電阻44并且也流過線圈12的電流的測量。
放大器45的反相輸入端通過另一個電阻47連到一個參考電壓，電阻47的典型值也是10千歐。電阻47用來平衡放大器45中的偏移。該參考電壓近似為1.0伏，由一對分壓器電阻48和49的連接點提供。電阻48具有5.11千歐的典型電阻值，而電阻49具有1.28千歐的典型電阻值。電阻48的另一端連接到電壓參考電路32的輸出端，提供5.0伏的電壓，如上所述。電阻49的另一端連接到接地參考端子11。
由于環(huán)繞放大器45設置了一個主要的或第一反饋回路，如前所述，其作用是維持放大器45的反相和同相輸入端之間的電位差近似為零。這樣，該反饋回路將提供一個通過電阻44的電流，在電阻兩端產生大約為1.0伏的壓降。因此在圖1所示的實例中，通過線圈12的電流被整定為0.5安，即1.0伏被2.0歐除產生的結果。
放大器45的輸出端通過一個并聯(lián)電路連接到晶體管42的柵極，該并聯(lián)電路包括一個電阻50和一個電容51，它們共同與另一個電阻52相串聯(lián)。晶體管42的柵極通過另一個電阻53也連接到在電感37和電容38連接點提供的調節(jié)電壓上。與電阻53相并聯(lián)的是一對背靠背的齊納二極管53′和53″，它們在任何極性下可防止晶體管42的柵極電壓與其源極電壓的差值大于18.0伏，從而防止超過晶體管42柵極對源極的擊穿極限。典型的元件值對電阻50是22千歐;電阻52是1千歐;電阻53是100千歐。電容51的典型值為0.15微法。這些元件值是對特定型號的放大器45和晶體管42選擇的。由于它們的特性不同，對這些放大器和晶體管來說，上述元件數(shù)值可能會改變而具有其它的選擇。
電阻53與串聯(lián)連接的電阻50和52一起，在調節(jié)電壓源和放大器45的輸出端之間構成了一個經過晶體管42柵極的分壓器電路。這個電路允許在額定電壓點選擇放大器45的輸出，與其輸出電壓的范圍相一致，并且當晶體管42切換到接通狀態(tài)時適合于晶體管的運行。由于放大器45是一個高壓放大器，其輸出電壓值可能上升到電壓調節(jié)器的輸出電壓以限制晶體管42的導通，但也可能下降到使晶體管42強化切換到接通狀態(tài)。
在線圈12中的電流被切斷后，在該電流準備反向流動的過程中，由于需要維持這個反饋回路迅速動作以恢復通過線圈12的電流，用電容51跨接在電阻50兩端以使增加放大器45的輸出信號作用在晶體管42柵極上的速度。電阻52多少限制了這個速度，但是若與電阻50沒有被旁路時可能的信號相比，可容許大得多的信號在初始時刻施加到晶體管42的柵極上，該初始時刻是在線圈12中的電流方向每一次切換之后的下一個半周內，使通過線圈12的電流達到所要求恒定值的起始時刻。
然而，這個反饋回路不能容許如此快速的運行，以致于在每次通過線圈12的電流方向切換后會出現(xiàn)振蕩。這是因為在一個陡的切換脈沖之后，這種振蕩或“擾動”會引入到一個第二反饋回路(下面將要敘述)，這會產生有害的后果。結果，在放大器45附近設置了一個局部的或較小的反饋回路以便形式在放大器45附近局部反饋回路的頻率響應，以致形成主反饋回路的頻率響應，如上所述，放大器45就在主反饋回路之中。
這個局部反饋回路通過晶體管42延伸，然后通過一個與電容55串聯(lián)的電阻54，連到放大器45的同相輸入端。另一個電容56與電阻54和電容55的串聯(lián)組合相并聯(lián)。這樣，這個無源元件的整體組合連接在晶體管42的漏極與放大器45的同相輸入端之間。典型的元件值對電阻54是1.8MΩ，對電容55是0.1μF，對電容56是820PF。這些數(shù)值的選擇使主反饋回路處于近似臨界阻尼狀態(tài)，在通過線圈12的電流方向切換后只允許相對短時期的小量阻尼振蕩或超調量存在。
這個主反饋回路的性能在圖2A、2B和2C中表示的波形中說明。圖2A表示施加在換向晶體管14柵極上的切換脈沖，該柵極在圖1B中標識為A;按照邏輯和驅動電路17所用的時基操縱該換向器電路，在這種情況下，電壓施加在晶體管13的柵極。在這個波形中，每半個周期有一個電壓值的躍變。由于這種躍變控制了換向器電路的切換，也控制了通過線圈12電流的反轉，這個換向器的時基對于圖1系統(tǒng)的時基來說是一個方便的選擇。圖2A左邊的時基是與右邊的時基相同的，但因為在圖2的波形圖中并排出現(xiàn)了兩種可能的負載示例，所以提供了這兩個時基。
在圖2A(ⅰ)中，負載為線圈12，所選擇的電感值為100.0毫亨，與其串聯(lián)的電阻負載約為26.5歐。圖2A(ⅱ)中的負載也是線圈12，具有100.0毫亨的電感值和與其串聯(lián)的5.5歐的等效電阻。在這兩個例子中換向器電路的切換頻率為37.5赫茲。
圖2B表示通過線圈12所產生的電流，根據(jù)電阻44兩端的電壓在圖1B中標識的B點測得。可以看到，在每半個周期電阻44兩端可達到大約1.0伏的最大電壓平穩(wěn)段，與0.5安的最大電流通過2.0歐相一致。根據(jù)這兩個例子中負載的不同串聯(lián)電阻值，可以看出在圖2B(ⅰ)的曲線中達到最大電壓的上升時間比在圖2B(ⅱ)曲線中所需要的時間稍長，這是因為在后者負載中與線圈12串聯(lián)的電阻負載較小。
圖2C表示在放大器45的輸出端所產生的信號，該點在圖1B中標識為C，它控制晶體管42的柵極。在圖2C(ⅱ)中可以看出，由于較低值的等效電阻與線圈12串聯(lián)，晶體管42在半個周期的穩(wěn)態(tài)值部分的電壓下工作，該電壓與線圈12兩端的電壓降沒有太大的差別。類似地，晶體管42的柵極工作在相當接近地電位或零伏的電位上。該圖表明在初始的切換暫態(tài)衰減后，柵極工作在2.0伏。注意在切換發(fā)生后切換振蕩得到了很好的控制。
圖2C(ⅰ)具有較大的負載，在波形中會顯示出稍大些的切換阻尼振蕩或超調量(未示出)，因為在反饋回路中的電容被充電到相當高的電壓。具有較高串聯(lián)電阻負載的晶體管42的柵極相對于地電位工作在大約12.0伏的電壓，由于一個大得多的電壓必須降落在這個串聯(lián)電阻上，因此在晶體管42柵極上的電壓與線圈12兩端的電壓有很大差別。在與線圈12相串聯(lián)的電阻兩端出現(xiàn)的這種不同的電壓變化是由于圖1電路中上述第二個反饋回路的作用。
這第二個回路是用來控制在晶體管42的源極和漏極之間出現(xiàn)的壓降。該壓降通過一對分壓器被框20單片集成電路中的誤差放大器21檢測出。第一個分壓器由一對電阻57和58組成，它連接于晶體管42的源極和接地參考端子11之間。這兩個電阻的典型值對電阻57為20千歐，對電阻58為4.99千歐。這兩個電阻的連接點接到誤差放大器21的同相輸入端。
晶體管42的漏極有另一個分壓器從該處接到接地參考端子11，由另兩個電阻59和60組成。這兩個電阻的典型電阻值是電阻59為20千歐，電阻60為5.1千歐。這兩個電阻的連接點接到誤差放大器21的反相輸入端。這些分壓器用來向比較器21提供一個差動輸入信號，并且將晶體管42的源極和漏極的電壓水平減小到適合于誤差放大器21輸入的值。
在一個分壓器中電阻60的阻值選擇得比另一個分壓器中相應電阻58的阻值稍大些，因為在電阻59和60的連接點連接有另一個電阻。這個電阻61從該連接點接到電壓參考電路32的5.0伏輸出端，電阻61具有180千歐的典型阻抗值，并且對提供信號來說，實際上與電阻60并聯(lián)，從而將該并聯(lián)組合的電阻值降低到近似為電阻58的值。電阻61將一參考電流導向誤差放大器21的反向輸入端以設定一參考值，對照該值，誤差放大器21比較在晶體管42的源極和漏極之間存在的壓降。誤差放大器21是下面將要敘述的反饋回路的一部分，該反饋回路的作用是通過選擇電阻61的阻值維持晶體管42兩端的電壓值在所選定的水平，這里在晶體管42的源極和漏極之間是0.5伏。
這個用來控制晶體管42源極和漏極之間電壓差的第二反饋回路包括誤差放大器21、比較器25、起動邏輯電路27、控制雙極晶體管36的雙極晶體管28，以在電感37和電容38的連接點提供一輸出電壓，作為切換調節(jié)器的輸出，晶體管42的源極連接到該輸出上。因此，如果在晶體管42的源極和漏極之間的電壓偏離了0.5伏，這個反饋回路將起作用升高或降低在電感37和電容38連接點的切換調節(jié)器的輸出電壓，以抵消晶體管42端電壓的任何變化。
作為一個例子，如果一個較大的等效電阻與線圈12串聯(lián)或端子10的電壓下降的話，將會導致一個減小了的電流流過線圈12以及流過電阻44。在電阻44兩端較小的電壓將在放大器45的同相輸入端產生一較小的電壓，從而降低了放大器的輸出電壓。這將導致放大器45試圖使晶體42進一步切換到接通狀態(tài)，幾乎立即從已充電的電容38吸取較多的電流，以維持提供給負載的電流，這就是第一反饋回路的目的。晶體管42被進一步切換到接通狀態(tài)將會導致其源極和漏極之間電壓降的降低。晶體管42端電壓的這樣一個降低將被誤差放大器21檢測出，并導致在切換調節(jié)器輸出端所提供電壓的增大，在晶體管42的源極電壓也增高。由于這第二個反饋回路保證了晶體管42的端電壓保持在大約0.5伏，基本上在切換調節(jié)器輸出端提供的全部附加電壓將出現(xiàn)在與線圈12串聯(lián)的有效電阻兩端。對于與線圈12串聯(lián)的有效電阻減小的情況，類似的但是相反的結果將會隨之發(fā)生。
誤差放大器21也有一個局部反饋回路，即設定其增益又形成其頻率響應，最終又形成剛剛描述的關于放大器21的主反饋回路頻率響應。這些反饋元件已被敘述作為框20中集成電路的外部元件，它們是電阻22和23以及電容24。電阻23連同連接到放大器21輸入端的分壓器電阻一起設定放大器21電路的增益。電阻22和電容24確定頻率響應，選擇它們的參數(shù)以使得在主反饋回路中也出現(xiàn)近似臨界的阻尼，保持晶體管42兩端的電壓;對應于換向器電路提供的線圈12中的電流反向，對于由晶體管42的切換所引起的切換暫態(tài)，只有較小的過調量(overshoot)或低于預定值(undershoot)產生。這些反饋元件的典型值是電阻22為6.2千歐;電阻23為2.2兆歐;電容24為0.01微法。
要注意在第一反饋回路中出現(xiàn)的任何不穩(wěn)定反映在晶體管42源極和漏極之間快速牡繆貢浠?，也会引葰杞翟滯反馈涣d分?。消除灾R我換羋分杏捎諢幌蚱髑謝歡鸕娜魏握竦詞侵匾模蛭桓黿洗蟮那分到賈慮謝壞鶻諂髟謖竦雌 6周期的大部分時間內將晶體管36切換到完全接通狀態(tài)，由于其中產生的熱損耗，晶體管36有損壞的危險，同時在框20中的集成電路也會遭到類似的損壞。因此，對于這兩個回路阻尼的選擇很重要，以容許采用一種尺寸不太大又沒有太高散熱要求的晶體管作為晶體管36，這是由于經濟上和組裝上的要求所決定的。
圖2D表示在電感37和電容38的連接點，即切換調節(jié)器的輸出端出現(xiàn)的電壓，該點在圖1B中標識為D。在圖2D(ⅱ)中可以看出，在切換發(fā)生時電流開始換向，在此期間換向器電路暫時有部分開路，并且當電流方向被切換時，幾乎沒有電流流過線圈12，切換調節(jié)器輸出端的電壓迅速上升到端子10上的電壓。晶體管42被其主反饋回路強力切換到接通狀態(tài)，試圖增大流過的電流。在這種情況下晶體管42的兩端電壓降有減小的趨勢，故切換調節(jié)器的主反饋回路起作用以增大調節(jié)電壓輸出。此后，當通過換向器電路和線圈12的電流再次建立起來時，切換調節(jié)器輸出端的電壓下降到大約8.0伏的穩(wěn)定值。另一方面，具有較大串聯(lián)電阻負載的圖2D(ⅰ)表明了同樣的特性，但相對恒定的電壓值大約為18.0伏，這個附加的電壓是在附加的等效串聯(lián)電阻兩端的壓降。
再回到圖2B，所表明的波形上升時間并不僅僅由于上述兩個反饋回路的作用，而且進一步得益于一個電流上升時間改善電路，或初始電流增強電路。該電路在線圈12的電流換向切換后容許提供一個較大的初始電壓，于是與前兩個反饋回路所能提供的電流上升率相比，引入了一個較大的電流增加速度，從而在切換暫態(tài)結束后加快了電流到達穩(wěn)定值的上升時間。
這個初始電流通過另一個P溝道的MOSFET62提供。該電流直接從正電壓源端子10供給，而不由調節(jié)電壓提供，因為對于提供初始電流來說，這樣可得到一個直接的高值電壓源。這個初始電流只供給相當短的一段時間，僅在電流方向開始切換后的切換暫態(tài)期間存在，此后便建立起在反方向通過線圈12的足夠大電流。這個時間應足夠短，以致于在半個周期內通過線圈12的電流相對恒定的時間里正電壓源端子10上的電壓將不起很大作用;并且缺少電壓調節(jié)將不會在傳感信號中產生噪聲。
這樣一種結果是采用一個以運算放大器63為基礎的滯后開關電路來實現(xiàn)的。放大器63的反相輸入端連接到電阻44和晶體管15及16連在一起的源極的結合點，從而它可以測量流過線圈12的電流，方法是檢測由于這個電流在電阻44兩端產生的電壓。當這個電壓降由于換向器電路使通過線圈12的電流反向而為負值時(換向器電路由于線圈12中磁場的消失而產生一個反向電壓)，放大器63的輸出向一正電壓方向變化。當這個輸出電壓變得足夠正時，由一對電阻64和65提供的正反饋分壓器作用迅速地迫使放大器63的輸出電壓到達齊納二極管66在反方向擊穿的數(shù)值。這時，該輸出被箝住在齊納二極管的電壓加上電阻65兩端的電壓降。典型的電阻值對電阻67和65是10千歐，對電阻64是7.5千歐。齊納二極管66具有6.2伏的典型擊穿電壓值。通過齊納二極管66的電流被另一個電阻67所限制，它的典型阻抗為10千歐。
伴隨齊納二極管66擊穿的正電壓狀態(tài)對于該滯后開關電路是一種穩(wěn)定狀態(tài)，于是在放大器63的輸出端維持這個正電壓，并且通過一個分壓器電路作用到一個npn型雙極晶體管68上，該分壓器接在放大器63的輸出端和接地參考端子11之間。這個分壓器電路由一對電阻69和70組成，它們的結合點連接到晶體管68的基極。電阻69典型地有10千歐的阻值，電阻70具有4.7千歐的典型阻值。晶體管68的發(fā)射極連接到接地參考端子11，它被強化切換到接通狀態(tài)，并通過另一對電阻71和72在其集電極吸取電流;這對電阻又作為分壓器在其結合點連接到MOSFET62的柵極。電阻71的另一端連接到正電壓源端子10，而電阻72的另一端連接到晶體管68的集電極。電阻71和72的典型阻值分別為15千歐和33千歐。
另一個齊納二極管73限制了可能施加在金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET62的柵極和源極之間的電壓，由于該電壓受到限制，使MOSFET62不至于損壞。另一個二極管74的正極連接到晶體管62的漏極和晶體管13與14的源極之連接點，其負極連接到正電壓源端子10。二極管74允許線圈12在反向切換期間當線圈12周圍的磁場消失時通過該二極管和電阻44放電，從而開始切換放大器63，將其輸出置于如上所述的一個正電壓。
晶體管12準確的切換到接通狀態(tài)提供了流入換向器電路并通過線圈12的初始電流。晶體管62切換到接通狀態(tài)使二極管43反向偏置，從而使其它部分電路與晶體管62的影響隔離開，防止電流從切換調節(jié)器通過MOSFET42流入換向器電路和線圈12。結合上面所述，在二極管43反向偏置且晶體管42實際上不導通電流時，切換調節(jié)器的輸出電壓會升高。
在反向切換以后，當通過MOSFET62的初始電流增加從而也使通過線圈12的電流增加時，在電阻44兩端的電壓也增加到這樣的程度，其值變得足夠正以驅動放大器63的輸出向一負電壓變化。在放大器63的輸出端達到一足夠負的電壓，結果其同相輸入端的分壓器電阻64和65起作用，將放大器63的輸出保持在由齊納二極管的正向壓降所箝位的負電壓。
這樣，晶體管68和62被切換到斷開狀態(tài)，再也不向包括線圈12的換向器電路提供電流。相反地，二極管43變得正向偏置，這時電流只通過晶體管42供給換向器電路和線圈12。結果，當足夠大的電流通過電阻44時，通過晶體管62提供的半個周期中的初始電流終止，此后就從切換調節(jié)器通過晶體管42提供電流。
圖2E是在圖1B中標識為E的晶體管62柵極的波形，可以看出，晶體管62或是工作在斷開狀態(tài)，或是在接通狀態(tài)。圖2E(ⅰ)表明，與圖2E(ⅱ)中所示的工作電壓水平相比，具有較小的串聯(lián)電阻負載時的運行電壓水平并沒有區(qū)別。然而，在圖2E(ⅰ)半個周期里接通狀態(tài)的時間稍小于在圖2E(ⅱ)中的時間，這反映了在這兩個圖中通過線圈12電流的上升時間不同以及與線圈串聯(lián)的等效電阻不同。該波形大約在40.0V和31.0V之間變換。
盡管本發(fā)明參照最佳實施例進行了描述，精通本發(fā)明技術的人員將會認識到，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以在形式上和細節(jié)上對本發(fā)明作出改變。
權利要求
1.一個電流源由一個電源激勵，用來對一個所選擇的負荷裝置在一定范圍的負荷條件下提供一個數(shù)值基本恒定的電流；該電流源包括連接到該電源上的調節(jié)器裝置，用來提供一個被調節(jié)的電位輸出，該調節(jié)器裝置具有一個電位調節(jié)輸入端，致使在該電位調節(jié)輸入端提供的信號對被調節(jié)的電位輸出進行調整；電流控制器裝置具有一個電流通路，串聯(lián)連接在被調節(jié)電位輸出端和負荷裝置之間，該電流通路具有一個可調整的阻抗用以控制電流，該電流控制器裝置還有一個電流控制器輸入端用來控制可調整的阻抗；電流傳感裝置具有一個與負荷裝置串聯(lián)連接的電流輸入端用以傳導電流，該電流傳感裝置還提供一個電流傳感輸出信號，代表了耦合于該電流控制器輸入端的電流幅值，以維持該電流基本恒定；以及功率傳感裝置，與可調整的阻抗結合用來提供一個代表在該可調阻抗中功率消耗的功率輸出，該功率輸出耦合到該電位調整輸入端，以維持在可調阻抗中消耗的功率在一預選的功率水平。
2.在權利要求1中的電流源，其中一個換向器將電流從該電流源導向負載裝置，并且該電流源還包括電流上升時間調節(jié)器裝置，耦合在電源和負載之間，用來在換向后將電流恢復到基本上恒定的數(shù)值。
3.在權利要求2中的電流源，其中該電流上升時間調節(jié)器進一步包括一個驅動器開關裝置，用來將電源耦合到該換向器上;以及驅動該轉換器的裝置，如果在換向后電流下降到小于恒定值的一選定值以下，該裝置動作。
4.在權利要求1中的電流源，其中該調節(jié)器裝置包括一個切換調節(jié)器，相對于電位調整輸入信號的變化延遲了被調整的電位輸出信號;其中該功率傳感裝置進一步包括阻尼裝置，與該切換調節(jié)器耦合以減少該被調節(jié)電位輸出的過調量。
5.在權利要求1中的電流源，其中該電流控制器裝置進一步包括與負荷元件耦合的裝置，用來相對于電流的變化阻尼可調阻抗的調整，結果使在基本恒定值以上的電流過調量減少。
6.在權利要求1中的電流源，其中該電流傳感裝置包括一個與負載串聯(lián)連接的電阻以傳導該電流。
7.在權利要求1中的電流源，其中該負載元件包括串聯(lián)連接的電感和電阻以傳導電流。
8.在權利要求2中的電流控制器裝置，其中負載元件包括一個電感;該電流控制器進一步包括連接在被調節(jié)電位輸出端和換向器之間的二極管元件，以減小感性電流從負載元件流回到調節(jié)器裝置。
9.在權利要求2中的電流控制器，其中該電流上升時間調節(jié)器進一步包括與電流傳感裝置結合的切換裝置用來在電源和換向器之間提供切換連接，當電流降低到一選定值以下時，該切換連接被電流傳感裝置帶有滯后地驅動。
10.在權利要求3中的電流源，其中該換向器進一步包括四個布置成橋式電路的固態(tài)開關和電流方向切換裝置，用以控制這些開關進行換向。
11.在權利要求3中的電流源，其中該電流傳感裝置包括一個傳導電流的電阻，連接在換向器和電源之間。
12.在權利要求4中的電流源，其中該功率傳感裝置進一步包括一個從阻尼裝置接收反饋信號的運算放大器。
13.在權利要求5中的裝置，其中該電流控制器進一步包括一個運算放大器，從耦合到負載的裝置接收反饋信號以提供阻尼。
14.在權利要求7中的電流控制器，其中所選的負載元件包括一個電感，在一個磁流量計系統(tǒng)中提供一個磁場。
15.在權利要求8中的電流控制器，其中該電感在換向后產生脈沖，該脈沖通過多個二極管傳送回電源。
16.一個由可變勵磁系統(tǒng)供電的電流源在所選擇的負載范圍內對一個具有電感和電阻的負載提供一個可控的電流，該電流源包括第一調節(jié)器裝置，與上述可變勵磁相耦合用來提供一個被調節(jié)的輸出電位，作為施加到該第一調節(jié)器裝置的第一調整輸入信號的函數(shù);第二調節(jié)器裝置，將上述輸出電位耦合到上述負載，以提供一個電流通路，控制流過上述負載的傳感電流;以及耦合到上述第二調節(jié)器裝置的電路裝置，用來檢測上述電流通路中的電位降，并提供一個代表上述電位降的輸出信號給上述第一調整輸入端，以使上述電位降基本保持恒定，當在上述所選的負載范圍內維持電流調節(jié)時，上述電流源的功率消耗可由此減小。
17.在權利要求16中的裝置，其中上述負載是在一個電磁流量計系統(tǒng)中的測量管附近設置的一個電感。
18.在權利要求16中的裝置，其中上述第一調節(jié)器裝置是一個切換電壓調節(jié)器。
19.在權利要求16中的裝置，其中上述第二調節(jié)器裝置是一個被電流傳感裝置控制的晶體管。
全文摘要
一個電流源用來建立一個相對恒定的電流流過大范圍變動的阻抗，該電流源包括一個電壓電位調節(jié)器用來調節(jié)所提供的電位，借助一個電流傳感裝置向一個電流控制器提供電流，電流傳感裝置提供給該電流控制器一個信號；有一個信號從該信號控制器供給，用來控制該電壓電位調節(jié)器。另外還設置了一個電流上升時間調節(jié)器用來增加供給一個換向負載的電流上升時間。
文檔編號G03C1/00GK1037974SQ8910330
公開日1989年12月13日 申請日期1989年5月13日 優(yōu)先權日1988年5月13日
發(fā)明者喬治·杰萊辛斯基, 查理斯·E·喬特辛哥, 約翰·D·普羅 申請人:羅斯蒙德公司