專利名稱：數(shù)控直流電流源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子信息行業(yè)電源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用數(shù)字信號(hào)輸入來(lái)控制輸出的數(shù)控直流電流源。
背景技術(shù)：
電壓電流源是很多儀器設(shè)備研制的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一，電源在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度，電源在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果。普通直流穩(wěn)壓電源品種很多，但均存在以下問(wèn)題:①輸出電壓或電流通過(guò)粗調(diào)(波段開關(guān))及細(xì)調(diào)(電位器)來(lái)調(diào)節(jié)。這樣，當(dāng)輸出電壓或電流需要精確輸出，或需要在一個(gè)小范圍內(nèi)改變時(shí)(如1.01 1.02V或1.01 1.02mA)，困難就較大。另外，隨著使用時(shí)間的增加，波段開關(guān)及電位器難免接觸不良，對(duì)輸出會(huì)有影響；②顯示用機(jī)械電壓，導(dǎo)致用戶所需電壓、電流難以準(zhǔn)確掌控，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，若顯示輸出是對(duì)電壓的量化值直接進(jìn)行譯碼顯示輸出，其顯示值為D/A變換的輸入量，由于D/A變換與功率驅(qū)動(dòng)電路弓丨入的誤差，使得顯示值與電源實(shí)際輸出值之間可能出現(xiàn)較大的偏差。傳統(tǒng)的多功能直流穩(wěn)壓電源功能簡(jiǎn)單、難控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高。隨著電子技術(shù)的深入發(fā)展，各種智能儀器及設(shè)備越來(lái)越多，涉及領(lǐng)域越來(lái)越廣，對(duì)電源的要求也越來(lái)越高。電流源作為其中的一員，也有相應(yīng)的要求?，F(xiàn)在越來(lái)越多的產(chǎn)品都往數(shù)控方向發(fā)展，因?yàn)閿?shù)控方式可以提供更靈活更精確的控制。目前數(shù)控直流電流源普遍采用壓控方式，即首先產(chǎn)生控制電壓，然后經(jīng)V-1轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電流輸出。由于控制電壓產(chǎn)生方式、V-1轉(zhuǎn)換方法以及電流控制方式不同，電流源在輸出范圍以及精度上存在較大差異。在需要較大電流的設(shè)備中，普遍采用場(chǎng)效應(yīng)管，達(dá)林頓管等功率器件實(shí)現(xiàn)V-1轉(zhuǎn)換，并且多采用開環(huán)控制方式，這類電流源的輸出范圍可以達(dá)到IA以上，但受功率器件精度以及控制方法的制約，其精度普遍低于1%。，并且只能實(shí)現(xiàn)正向電流的輸出。在需要幾十到幾百毫安的電流設(shè)備中，一般采取由D/A提供電壓再通過(guò)V/I轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)恒流輸出，再通過(guò)普通三極管，達(dá)林頓管放大輸出，最后通過(guò)A/D來(lái)反饋輸出的電流值，從而做到閉環(huán)控制使輸出電流值精確和穩(wěn)定，但這類電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也只能實(shí)現(xiàn)正向電流的輸出。在小電流應(yīng)用中，多直接采用電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，雖然精度能夠在uA級(jí)別，但由于D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電流范圍較小，所以該類電源的輸出不會(huì)超過(guò)幾個(gè)mA。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題為解決上述的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種數(shù)控直流電流源，以利用數(shù)字輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制。( 二 )技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種數(shù)控直流電流源。該數(shù)控直流電流源包括:控制模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和功率運(yùn)放模塊，其中:控制模塊，用于產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)Vinl,并將第一數(shù)字信號(hào)Vinl發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)模塊；轉(zhuǎn)發(fā)模塊，與控制模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)發(fā)至D/A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換為模擬電壓VIS ;功率運(yùn)放模塊，其第一輸入端與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端相連接，其輸出端連接數(shù)控直流電流源的輸出端，用于輸出第一數(shù)字信號(hào)Vinl對(duì)應(yīng)的輸出電流I。。(三)有益效果本數(shù)控直流電流源采用由D/A提供電壓再通過(guò)功率運(yùn)放直接輸出，從輸出電流采樣進(jìn)行反饋控制，輸出電流可從幾微安到幾安培，精度可達(dá)1%。，并且能實(shí)現(xiàn)雙向電流輸出。此外，本電源還具有過(guò)壓保護(hù)功能和對(duì)輸出電流和電壓的測(cè)量顯示功能。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電壓源連接關(guān)系的示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電壓源的電路示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例具有過(guò)流保護(hù)模塊的數(shù)控直流電壓源的示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電流源連接關(guān)系的示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電流源的電路示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例具有過(guò)壓保護(hù)模塊的數(shù)控直流電流源的示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電源連接關(guān)系的示意圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電源的電路示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于所述值。本發(fā)明提出了一種數(shù)控直流電壓/電流源系統(tǒng)，電源的各項(xiàng)參數(shù)及操作均在PC機(jī)上的控制界面中進(jìn)行設(shè)置，電源的控制芯片根據(jù)設(shè)置控制其它各部分電路協(xié)同工作，得到滿足要求的電源。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明以PC機(jī)和可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA為例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，其他的具有相同功能的裝置或者模塊也可以代替相應(yīng)部件，此處不再詳細(xì)說(shuō)明。以下分三部分對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明:電壓源、電流源、可以實(shí)現(xiàn)電壓源和電流源轉(zhuǎn)換的混合電源。第一部分:數(shù)控直流電壓源圖1是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電壓源連接關(guān)系的示意圖。如圖1所示，PC機(jī)和FPGA通過(guò)PC機(jī)后的通訊端口相連，PC機(jī)上的控制軟件將電源的預(yù)設(shè)參數(shù)經(jīng)過(guò)處理后傳給FPGA，F(xiàn)PGA將A/D轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量到的輸出電壓值或電流值傳給PC機(jī)。FPGA和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流檔位選擇模塊、采樣模塊、測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制和數(shù)據(jù)交互。D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA送來(lái)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出到功率運(yùn)放模塊和過(guò)流保護(hù)模塊。電流檔位選擇模塊實(shí)現(xiàn)輸出電流的檔位選擇。采樣模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和輸出電流的米樣，并將輸出電壓米樣信號(hào)送給功率運(yùn)放模塊實(shí)現(xiàn)恒定的電壓輸出；將輸出電壓和輸出電流采樣信號(hào)送給過(guò)流保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)輸出的限流；將輸出電壓和輸出電流采樣信號(hào)送給測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊將輸出電壓或輸出電流的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)輸出電壓或輸出電流的測(cè)量。圖2為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電壓源的電路示意圖。電流檔位選擇模塊中IV..Kn分別對(duì)應(yīng)不同的電流檔，每檔的電流范圍可由PC上的控制軟件靈活設(shè)定。假設(shè)K1對(duì)應(yīng)的電流范圍為[-11, IJ，K2對(duì)應(yīng)的電流范圍為[_12，-11)和(I1, I2]，Kn對(duì)應(yīng)的電流范圍為[-1n，-1n-1)和(In+ IJ，其中 O < I1 < I2 <吣< Ilri < In。在任意時(shí)刻，Kr..Kn 中只有一個(gè)開關(guān)閉合，其中η的值可根據(jù)輸出電流的范圍而定。米樣模塊中G^..Gm分別對(duì)應(yīng)不同的電壓采樣系數(shù)。假設(shè)G1對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[-V1, V1],電壓采樣系數(shù)為qi，G2對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[-V2，-V1)和(V1, V2]，電壓采樣系數(shù)為q2，Gm對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[_Vm，-Vm^1)和(Vm，VJ，電壓采樣系數(shù)為qm，其中O < V1 < V2 <吣< Vnri < Vm。在任意時(shí)刻，G^"Gm中只有一個(gè)開關(guān)閉合，其中m的值可根據(jù)輸出電壓的范圍而定。測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊中，當(dāng)電壓源設(shè)置為測(cè)壓時(shí)，開關(guān)J2的H、L導(dǎo)通，將輸出電壓的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊；當(dāng)電壓源設(shè)置為測(cè)流時(shí)，開關(guān)J2的H、M導(dǎo)通，將輸出電流的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。過(guò)流保護(hù)模塊將輸出電流限制在預(yù)設(shè)的限流范圍內(nèi)。如圖2所示，本實(shí)施例數(shù)控直流電壓源包括:控制模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、功率運(yùn)放模塊和采樣模塊，其中:控制模塊，用于產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)Vinl，并將第一數(shù)字信號(hào)Vinl發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)模塊；轉(zhuǎn)發(fā)模塊，與控制模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)發(fā)至D/A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換為模擬電壓VIS ;功率運(yùn)放模塊，其第一輸入端與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端相連接，其輸出端連接數(shù)控直流電壓源的輸出端，用于輸出第一數(shù)字信號(hào)Vinl對(duì)應(yīng)的輸出電壓\。本實(shí)施例中，數(shù)控直流電壓源還包括:采樣模塊?？刂颇K，包括:存儲(chǔ)單元、電路選擇單元和計(jì)算單元；其中:存儲(chǔ)單元，用于預(yù)存采樣模塊中m組電壓采樣電路的電壓范圍區(qū)間及其對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)；選擇單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的輸出電壓值Vfert所在的電壓范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電壓采樣電路，并將該電壓采樣電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至采樣模 塊；計(jì)算單元，用于根據(jù)輸出電壓值Vfert和被選擇的電壓采樣電路對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)Qi計(jì)算(-VttetXqi)，并根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第一數(shù)字信號(hào)Vinl，m彡1(其中，(-VfertXqi)是一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，而D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸入是2進(jìn)制碼，因此在將浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)值輸入至D/A轉(zhuǎn)換模塊之前，需要根據(jù)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊的要求)。采樣模塊，包括:電壓采樣單元和第一控制單元；其中:電壓采樣單元，其控制端與第一控制單元相連接，其輸入端與數(shù)控直流電壓源的負(fù)載相連接，其輸出端與功率運(yùn)放模塊的第二輸入端相連接，包括:并聯(lián)的η組電壓采樣電路；第一控制單元，與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于根據(jù)電壓采樣電路的序號(hào)連通相應(yīng)的電壓采樣電路，同時(shí)斷開除該電壓采樣電路之外的電壓采樣電路。其中，采樣模塊，電壓采樣單元中每一組電壓采樣電路包括:運(yùn)算子單元，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電壓源的輸出電壓％與該組電壓采樣電路對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)Cii的乘積運(yùn)算；及開關(guān)子單元，與運(yùn)算子單元串聯(lián)，用于在第一控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電壓采樣電路的連通與斷開。對(duì)于電壓采樣單元中每一組電壓采樣電路G1:電壓范圍區(qū)間和電壓采樣系數(shù)的關(guān)系為電壓范圍區(qū)間乘以電壓采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在D/A轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。至此，可以實(shí)現(xiàn)精確控制輸出電壓的作用。此外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控直流電壓源輸出電流的精確測(cè)量，如圖2所示，本發(fā)明數(shù)控直流電壓源還包括:電流檔位選擇模塊?？刂颇K中:存儲(chǔ)單元，還用于預(yù)存電流檔位選擇模塊中并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路的電流范圍區(qū)間；選擇單元，還用于根據(jù)預(yù)設(shè)的輸出限流值Ikt和存儲(chǔ)單元中的電流范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電流檔位選擇電路，并將該組電流檔位選擇電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至電流檔位選擇模塊。電流檔位選擇模塊，位于功率運(yùn)放模塊和數(shù)控直流電壓源的負(fù)載之間，包括:第二控制單元和檔位選擇單元，其中:檔位選擇單元，其控制端與第二控制單元相連接，其輸入端與功率運(yùn)放模塊的輸出端相連接，其輸出端與數(shù)控直流電壓源的負(fù)載相連接；包括:并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路，n ^ I ;第二控制單元，與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于控制將電流檔位選擇電路的序號(hào)對(duì)應(yīng)的電流檔位選擇電路連通，將其他電流檔位選擇電路斷開。本實(shí)施例中，電流檔位選擇模塊，檔位選擇單元中每一組電流檔位選擇電路包括:采樣電阻及開關(guān)子單元；開關(guān)子單元與采樣電阻串聯(lián)，用于在第二控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電流檔位選擇電路的連通與斷開。對(duì)于電流檔位選擇模塊，檔位選擇單元中每一組電流檔位選擇電路&:電流范圍區(qū)間、電阻和電流采樣系數(shù)P的關(guān)系為電流范圍區(qū)間乘以電阻再乘以電流采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。此外，對(duì)于一般的數(shù)控直流電壓源，還需要PC機(jī)上顯示其輸出的電壓值和輸出電流值。如圖2所示，本發(fā)明數(shù)控直流電壓源還包括:測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其第一端口與所述電流采樣單元的輸出端口相連接，其第二端口與所述電壓采樣單元的輸出端口相連接，其第三端口連接至所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端口 ；在測(cè)壓模式下，將第二端口連接至第三端口，在測(cè)流模式下，將第一端口連接至第三端口。采樣模塊包括:電壓采樣單元和電流采樣單元。電壓采樣單元，其輸入端與電壓源的負(fù)載相連接，其輸出端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第二端口相連接，用于將采集到的輸出電壓信號(hào)Vfv發(fā)送至測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其中，Vfv = VtjXqi，其中Vtj為電壓源輸出電壓，Qi為被選擇的電壓采樣電路對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)。電流采樣單元，其兩輸入端分別與電流檔位選擇電路的輸入端和輸出端相連接，其輸出端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第一端口相連接，用于將采集到的輸出電流信號(hào)Vfi發(fā)送至測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其中Vfi = 10XRjXp, Itj為電壓源輸出電流，Rj為被選擇的電流檔位區(qū)間對(duì)應(yīng)的采樣電阻，P為電流采樣系數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第三端口相連接，在測(cè)壓模式下，用于將輸出電壓采樣信號(hào)Vfv由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并將該電壓測(cè)量值在PC機(jī)上進(jìn)行顯示；在測(cè)流模式下，用于將輸出電流采樣信號(hào)Vfi由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電流信號(hào)，并將該數(shù)字電流信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并判斷所測(cè)得的電流值是否在選定的電流區(qū)間內(nèi)，并根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行以下步驟:如果不是，且該電流區(qū)間不是最小級(jí)的電流檔位區(qū)間，則將小一級(jí)的電流檔位選擇電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至第二控制單元重新進(jìn)行測(cè)量，如果是或該電流區(qū)間是最小級(jí)的電流檔位區(qū)間，則將該電流測(cè)量值在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。在電壓源工作時(shí)，若控制模塊不斷使模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電壓和電流的測(cè)量，則可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓源的輸出電壓和輸出電流。至此，實(shí)現(xiàn)輸出電壓和輸 出電流的測(cè)量及顯示功能。
進(jìn)一步的，對(duì)于本發(fā)明的數(shù)控直流電壓源，還具有過(guò)流保護(hù)的功能。圖3為本發(fā)明實(shí)施例具有過(guò)流保護(hù)功能的數(shù)控直流電壓源的示意圖。如圖3所示，本發(fā)明數(shù)控直流電壓源還包括:過(guò)流保護(hù)模塊?？刂颇K中，計(jì)算單元，還用于計(jì)算(IktXRjXp)的值，并根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第二數(shù)字信號(hào)Vin2,再通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換模塊，其中, 為被選擇的電流檔位區(qū)間的電阻值；D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于將數(shù)字信號(hào)Vin2轉(zhuǎn)換為模擬限流電壓VIL，并從其第二輸出端輸出；過(guò)流保護(hù)模塊,包括:第一運(yùn)放單元和第二運(yùn)放單元，其中，第一運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第四電阻與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第三電阻與電壓采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第五電阻與電流采樣單元的輸出端相連接，其輸出端通過(guò)第一二極管連接至D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第九電阻與其第一輸入端相連接；第二運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第七電阻和反相器與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第六電阻與電壓采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第八電阻與電流采樣單元相連接，其輸出端通過(guò)第二二極管連接至D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第十電阻與其第一輸入端相連接。當(dāng)電壓源輸出電流I。> ILset時(shí)，第一二極管導(dǎo)通，當(dāng)I。<-|l&t|時(shí)，第二二極管導(dǎo)通，從而使輸出電流滿足-1I^tI <ι0< IIktI，將輸出電流限定在預(yù)設(shè)的限流范圍內(nèi)。至此，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的功能。至此，本發(fā)明數(shù)控直流電壓源介紹完畢。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，控制模塊為PC機(jī)，轉(zhuǎn)發(fā)模塊為FPGA芯片；或控制模塊包括:PC機(jī)和FPGA芯片的邏輯控制部分，轉(zhuǎn)發(fā)模塊為FPGA芯片的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)部分。以下用一具體的場(chǎng)景來(lái)對(duì)本發(fā)明數(shù)控直流電壓源進(jìn)行說(shuō)明。若電壓源預(yù)設(shè)輸出電壓值Vfeet e (V3，VJ，預(yù)設(shè)輸出限流值ILset e (I3，I4]，則FPGA使電壓采樣單元中開關(guān)G4閉合，使電流檔位選擇模塊中開關(guān)K4閉合。如圖3所示，PC機(jī)將(-VfeetXq4)根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第一數(shù)字信號(hào)vinl，并將Vinl送給FPGA，F(xiàn)PGA控制D/A轉(zhuǎn)換模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換成模擬電壓VIS。VIS通過(guò)第一電阻R1送至功率運(yùn)放的第一輸入端,輸出電壓米樣信號(hào)(Vt)Xq4)通過(guò)第二電阻R2送至功 率運(yùn)放的第一輸入端，功率運(yùn)放的第二輸入端接地，其中R1 = R2,故有-VQsrtXq4+VQXq4 = 0，即V。= Vfert，從而使輸出電壓恒定為預(yù)設(shè)的輸出電壓。至此，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控直流電壓源的功能。PC機(jī)將(-1ktXR4Xp)根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第二數(shù)字信號(hào)
Vin2,并將Vin2送給FPGA，F(xiàn)PGA控制D/A轉(zhuǎn)換模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)Vin2轉(zhuǎn)換成模擬限流
值VIL0假設(shè)二極管D” D2的 導(dǎo)通壓降分別為VD1, Vd2,又有R3 = R4 = R5 = R6 = R7 = R8 =
R9 = R10,由圖 3 可得:(V0-V01) X P- (V0Xq4) -VIL-Vdi < VIS < (V0-V01) X p- (V0Xq4) +VIL+VD2,
又 VIS = -V0setXq4 = -￥0父94，故-~比+￥1)2) < (V0-V01) Xp < VIL+VD1，又 V0-Vra = 10XR4,
ττ τ 、，…,,1LsetxR4 xP+Vm , JuetXR4XP+VdiVIL = ILsetXR4XP，故^<h <^^。若忽略二極管的導(dǎo)通壓降，則有-1^t < I。< ILset,即將輸出電流限定在預(yù)設(shè)的限流范圍內(nèi)。當(dāng)進(jìn)行電壓測(cè)量時(shí)，測(cè)壓/測(cè)流模塊第二端口與第三端口相連接，將輸出電壓采樣信號(hào)(VtjXq4)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將電壓采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，若此浮點(diǎn)數(shù)為y4，控制模塊計(jì)算電源輸出電壓匕=t，并將其顯示在PC機(jī)上。由于預(yù)設(shè)輸出電壓Vttet e (V3,
tIA
V4],故電壓測(cè)量是準(zhǔn)確的。由于采用了電壓采樣單元，可以很大的電壓范圍(如幾毫伏到幾十伏特)內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確測(cè)量。當(dāng)進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)，測(cè)壓/測(cè)流模塊第一端口與第三端口相連接，將輸出電流采樣信號(hào)((VtrVw)Xp)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將電流采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，若此浮點(diǎn)數(shù)為
S4，又開關(guān)K4閉合有ItjXR4 = V<rVM，其中Itj為輸出電流值，控制模塊可算出&若
10e (I3, I4]，則測(cè)量結(jié)束，并將其顯示在PC機(jī)上。若I。彡I3，則FPGA將從V" Kn中選擇小一級(jí)的電流檔位進(jìn)行測(cè)量，即K3閉合，有ItjXR3 = V0-V01, A/D轉(zhuǎn)換模塊重新測(cè)量出輸出
電流采樣信號(hào)((H)Xp)的值，若結(jié)果為S3，可算出4=^^。若(12，13]，則測(cè)量
到此為止，控制模塊將測(cè)量結(jié)果顯示在PC機(jī)上，并使電流檔位選擇模塊中的開關(guān)K3斷開，K4閉合。若10< I2，則FPGA繼續(xù)從IV..Kn中選擇更小一級(jí)的電流檔位來(lái)進(jìn)行測(cè)量，直到最小電流檔位區(qū)間為止。由于采用了電流檔位選擇電路，可以很大的電流范圍(如幾微安到幾安培)內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確測(cè)量。在電壓源工作時(shí)，若控制模塊不斷使A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電壓和電流的測(cè)量，則可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓源的輸出電壓和輸出電流。本數(shù)控直流電壓源采用由D/A提供基準(zhǔn)電壓再通過(guò)功率運(yùn)放模塊輸出，從輸出電壓采 樣反饋至功率運(yùn)放模塊的輸入端進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電壓可達(dá)幾十伏，精度可達(dá)1%。，無(wú)需輸出極性換向電路就能實(shí)現(xiàn)雙向電壓輸出。此外，本電源還具有過(guò)流保護(hù)功能和對(duì)輸出電壓和電流的測(cè)量顯示功能。第二部分:數(shù)控直流電流源圖4是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電流源連接關(guān)系的示意圖。如圖4所示，PC機(jī)和FPGA通過(guò)PC機(jī)后的通訊端口相連，PC機(jī)上的控制軟件將電流源的預(yù)設(shè)參數(shù)經(jīng)過(guò)處理后傳給FPGA，F(xiàn)PGA將A/D轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量到的輸出電壓值或電流值傳給PC機(jī)。FPGA和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流檔位選擇模塊、采樣模塊、測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制和數(shù)據(jù)交互。D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA送來(lái)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出到功率運(yùn)放模塊和過(guò)壓保護(hù)模塊。電流檔位選擇模塊實(shí)現(xiàn)輸出電流的檔位選擇。采樣模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和輸出電流的采樣，并將輸出電流采樣信號(hào)送給功率運(yùn)放模塊實(shí)現(xiàn)恒定的電流輸出；將輸出電壓和輸出電流米樣信號(hào)送給過(guò)壓保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)輸出的限壓；將輸出電壓和輸出電流采樣信號(hào)送給測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊將輸出電壓或輸出電流的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)輸出電壓或輸出電流的測(cè)量。圖5為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)控直流電流源的電路示意圖。電流檔位選擇模塊中IV..Kn分別對(duì)應(yīng)不同的電流檔，每檔的電流范圍可由PC上的控制軟件靈活設(shè)定。假設(shè)K1對(duì)應(yīng)的電流范圍為[-11, IJ，K2對(duì)應(yīng)的電流范圍為[_12，-11)和(I1, I2]，Kn對(duì)應(yīng)的電流范圍為[-1n，-1n-1)和(In+ IJ，其中 O < I1 < I2 <吣< Ilri < In。在任意時(shí)刻，Kr..Kn 中只有一個(gè)開關(guān)閉合，其中η的值可根據(jù)輸出電流的范圍而定。米樣模塊中G^..Gm分別對(duì)應(yīng)不同的電壓采樣系數(shù)。假設(shè)G1對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[-V1, V1],電壓采樣系數(shù)為qi，G2對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[-V2，-V1)和(V1, V2]，電壓采樣系數(shù)為q2，Gm對(duì)應(yīng)的電壓范圍為[_Vm，-Vm^1)和(Vm，VJ，電壓采樣系數(shù)為qm，其中O < V1 < V2 <吣< Vnri < Vm。在任意時(shí)刻，G^"Gm中只有一個(gè)開關(guān)閉合，其中m的值可根據(jù)輸出電壓的范圍而定。測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊中，當(dāng)電流源設(shè)置為測(cè)壓時(shí)，開關(guān)J2的H、L導(dǎo)通，將輸出電壓的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊；當(dāng)電流源設(shè)置為測(cè)流時(shí)，開關(guān)J2的H、M導(dǎo)通，將輸出電流的采樣信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。過(guò)壓保護(hù)電路將輸出電壓限制在預(yù)設(shè)的限壓范圍內(nèi)。如圖5所示，本實(shí)施例數(shù)控直流電流源包括:控制模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、功率運(yùn)放模塊和采樣模塊。其中:控制模塊，用于產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)Vinl，并將第一數(shù)字信號(hào)Vinl發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)模塊；轉(zhuǎn)發(fā)模塊，與控制模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)發(fā)至D/A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換模擬電壓VIS ;功率運(yùn)放模塊，其第一輸入端與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端相連接，其輸出端連接數(shù)控直流電流源的輸出端，用于輸出第一數(shù)字信號(hào)Vinl對(duì)應(yīng)的輸出電流Ιο。本實(shí)施例中，數(shù)控直流電流源還包括:電流檔位選擇模塊和采樣模塊?？刂颇K，包括:存儲(chǔ)單元、電路選擇單元和計(jì)算單元。其中:存儲(chǔ)單元，用于預(yù)存電流檔位選擇模塊中并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路的電流范圍區(qū)間和相應(yīng)電阻值；選擇單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)輸出電流值Ifert和存儲(chǔ)單元中的電流范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電流檔位選擇電路，并將該組電流檔位選擇電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至電流檔位選擇模塊；計(jì)算單元，用于根據(jù)輸出電壓值Ifert和被選擇的電壓采樣模塊對(duì)應(yīng)的電阻值&計(jì)算(-1fcrt X RjXP)，并根據(jù)D/A的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)Vinl，n > 1，P為采樣模塊中電流采樣單元的電流采樣系數(shù)(其中，(-10setXRjXp)是一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，而D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸入是2進(jìn)制碼，因此在將浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)值輸入至D/A轉(zhuǎn)換模塊之前，需要根據(jù)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊的要求)。電流檔位選擇模塊，位于功率運(yùn)放模塊和數(shù)控直流電流源的負(fù)載之間，包括:第二控制單元和檔位選擇單元，其中:檔位選擇單元，其控制端與第二控制單元相連接，其輸入端與功率運(yùn)放模塊的輸出端相連接，其輸出端與數(shù)控直流電流源的負(fù)載相連接；包括:并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路；第二控制單元，與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將電流檔位選擇電路的序號(hào)對(duì)應(yīng)的電流檔位選擇電路連通，將其他電流檔位選擇電路斷開。采樣模塊包括:電流采樣單元；電流采樣單元，其兩輸入端分別與電流檔位選擇電路的輸入端和輸出端相連接，其輸出端與功率運(yùn)放模塊的第二輸入端相連接，用于將采集到的電流信號(hào)Vfi發(fā)送至功率運(yùn)放模塊的第二輸入端，其中Vfi = (V0-V01) Xp, Vtj和Vra分別為電流檔位選擇電路的輸入端和輸出端的電壓，P為電流采樣系數(shù)。本實(shí)施例中，電流檔位選擇模塊，檔位選擇單元中每一組電流檔位選擇電路包括:采樣電阻及開關(guān)子單元；開關(guān)子單元與采樣電阻串聯(lián)，用于在第二控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電流檔位選擇電路的連通與斷開。其中，對(duì)于電流檔位選擇模塊，檔位選擇單元中每一組電流檔位選擇電路1:電流范圍區(qū)間、電阻、電流采樣系數(shù)的關(guān)系為電流范圍區(qū)間乘以電阻再乘以電流采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在D/A轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。至此，以實(shí)現(xiàn)精確控制輸出電流的作用。此外，如圖5所示，本發(fā)明數(shù)控直流電流源還包括:采樣模塊和電壓采樣單元。控制模塊，包括:存儲(chǔ)單元、 電路選擇單元和計(jì)算單元；其中:存儲(chǔ)單元，用于預(yù)存采樣模塊中m組電壓采樣模塊的電壓范圍區(qū)間及其對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)；選擇單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的輸出限壓值所在的電壓范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電壓采樣模塊，并將該電壓采樣模塊的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至采樣模塊。采樣模塊，包括:電壓采樣單元和第一控制單元；其中:電壓采樣單元，其控制端與第一控制單元相連接，其輸入端與數(shù)控直流電流源的輸出端相連接，其輸出端與測(cè)壓/測(cè)流模塊的第二端口相連接，包括并聯(lián)的m組電壓采樣模塊；第一控制單元，與轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于根據(jù)電壓采樣模塊的序號(hào)連通相應(yīng)的電壓采樣模塊，同時(shí)斷開除該電壓采樣模塊之外的電壓采樣模塊。本實(shí)施例中，電壓采樣單元中每一組電壓采樣模塊包括:運(yùn)算子單元，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電流源的輸出電壓％與該組電壓采樣模塊對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)的乘積運(yùn)算；及開關(guān)子單元，與運(yùn)算子單元串聯(lián)，用于在第一控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電壓采樣模塊的連通與斷開。對(duì)于電壓采樣單元中每一組電壓采樣模塊G1:電壓范圍區(qū)間和電壓采樣系數(shù)的關(guān)系為電壓范圍區(qū)間乘以電壓采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。此外，對(duì)于一般的數(shù)控直流電流源，還需要PC機(jī)上顯示其輸出的電壓值和輸出電流值。如圖5所示，本發(fā)明數(shù)控直流電流源還包括:測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其第一端口與所述電流采樣單元的輸出端口相連接，其第二端口與所述電壓采樣單元的輸出端口相連接，其第三端口連接至所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端口 ；在測(cè)壓模式下，將第二端口連接至第三端口，在測(cè)流模式下，將第一端口連接至第三端口。采樣模塊包括:電壓采樣單元和電流采樣單元。電壓采樣單元，其輸入端與電流源的負(fù)載相連接，其輸出端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第二端口相連接，用于將采集到的輸出電壓信號(hào)Vfv發(fā)送至測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其中，Vfv = VtjXqi，其中Vtj為電流源輸出電壓，Qi為被選擇的電壓采樣模塊對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)。電流采樣單元，其兩輸入端分別與電流檔位選擇電路的輸入端和輸出端相連接，其輸出端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第一端口相連接，用于將采集到的輸出電流信號(hào)Vfi發(fā)送至測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊，其中Vfi = 10XRjXp, Itj為電流源輸出電流，Rj為被選擇的電流檔位區(qū)間對(duì)應(yīng)的采樣電阻，P為電流采樣系數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第三端口相連接，在測(cè)流模式下，用于將輸出電流采樣信號(hào)Vfi由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并將該電流測(cè)量值在PC機(jī)上進(jìn)行顯示；在測(cè)壓模式下，用于將輸出電壓采樣信號(hào)Vfv由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，并將該數(shù)字電壓信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并判斷所測(cè)得的電壓值是否在選定的電壓范圍區(qū)間內(nèi)，并根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行以下步驟:如果不是，且該電壓范圍區(qū)間不是最小級(jí)的電壓范圍區(qū)間，則將小一級(jí)的電壓范圍區(qū)間的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至第一控制單元重新進(jìn)行測(cè)量，如果是或該電壓范圍區(qū)間是最小級(jí)的電壓范圍區(qū)間，則將該電壓測(cè)量值在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。在電流源工作時(shí)，若控制模塊不斷使模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電壓和電流的測(cè)量，則可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流源的輸出電壓和輸出電流。至此，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和輸出電流的測(cè)量及顯示功能。由于采用了電壓采樣單元，可以很大的電壓范圍(如幾毫伏到幾十伏特)內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確測(cè)量。同時(shí)，由于采用了電流檔位選擇電路，可以很大的電流范圍(如幾微安到幾安培)內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確測(cè)量。
進(jìn)一步的，對(duì)于本發(fā)明的數(shù)控直流電流源，還具有過(guò)壓保護(hù)的功能。圖6為本發(fā)明實(shí)施例具有過(guò)壓保護(hù)模塊的數(shù)控直流電流源的電路示意圖。如圖6所示，本發(fā)明數(shù)控直流電流源還包括:過(guò)壓保護(hù)模塊?？刂颇K中，計(jì)算單元，還用于計(jì)算(VktXqi)的值，并根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第二數(shù)字信號(hào)Vin2，再通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換模塊，其中， 為被選擇的電壓范圍區(qū)間對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)；D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于將第二數(shù)字信號(hào)Vin2轉(zhuǎn)換為模擬限壓值VIL，并從其第二輸出端輸出；過(guò)壓保護(hù)模塊，包括:第一運(yùn)放單元和第二運(yùn)放單元，其中，第一運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第四電阻與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第三電阻與電流采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第五電阻與電壓采樣單元的輸出端相連接，其輸出端通過(guò)第一二極管連接至D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第九電阻與其第一輸入端相連接；第二運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第七電阻和反相器與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第六電阻與電流采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第八電阻與電壓采樣單元相連接，其輸出端通過(guò)第二二極管連接至D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第十電阻與其第一輸入端相連接。當(dāng)電流源輸出電壓V。> VLset時(shí)，第一二極管導(dǎo)通，當(dāng)V。<-U時(shí)，第二二極管導(dǎo)通，從而使輸出電流滿足-1U <v0< IU，將輸出電壓限定在預(yù)設(shè)的限壓范圍內(nèi)。至此，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)的功能。

至此，本發(fā)明數(shù)控直流電流源介紹完畢。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，控制模塊為PC機(jī)，轉(zhuǎn)發(fā)模塊為FPGA芯片；或控制模塊包括:PC機(jī)和FPGA芯片的邏輯控制部分，轉(zhuǎn)發(fā)模塊為FPGA芯片的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)部分。以下用一具體的場(chǎng)景來(lái)對(duì)本發(fā)明數(shù)控直流電流源進(jìn)行說(shuō)明。如圖6所不，若電流源的預(yù)設(shè)輸出電流值Ift3et e (I5, I6],預(yù)設(shè)輸出限壓值VLset e (V4, V5]時(shí)，則FPGA使電流檔位選擇模塊中開關(guān)K6閉合，使電壓采樣模塊中開關(guān)G5閉合。如圖6所示，PC機(jī)將(-1feetXR6Xp)根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)化為第一數(shù)字信號(hào)vinl，并將Vinl送給FPGA，F(xiàn)PGA控制D/A轉(zhuǎn)換模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換成模擬電壓VIS。VIS通過(guò)第一電阻R1送至功率運(yùn)放的第一輸入端，輸出電流米樣信號(hào)((V0-V01) Xp)通過(guò)第二電阻R2送至功率運(yùn)放的第一輸入端，功率運(yùn)放的第二輸入端接地，其中 R1 = R2，故有-1QsetXR6Xp+(Vq-Vm) Xp = O，又開關(guān) K6 閉合有 VtrVra = 10XR6,即 10 =1set^從而使輸出電流恒定為預(yù)設(shè)的輸出電流。至此，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控直流電流源的功能。PC機(jī)將(V^tXq5)根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第二數(shù)字信號(hào)Vin2，并將Vin2送給FPGA，F(xiàn)PGA控制D/A轉(zhuǎn)換模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)Vin2轉(zhuǎn)換成模擬限流值VIL0假設(shè)二極管D1' D2的導(dǎo)通壓降分別為VD1、Vd2,又有R3 = R4 = R5 = R6 = R7 = R8 = R9=Rltl,由圖 6 可得=V0Xq5-(V0-V01) Xp-VIL-Vm < VIS < V0Xq5-(V0-V01) Xp+VIL+VD2，又 VIS=-10set XR6Xp = -10XR6Xp = -(V0-V01) Xp，故-(VIL+VD2) < V0Xq5 < VIL+VD1，又 VIL =
VLset X q5，故
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控直流電流源，其特征在于，包括:控制模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和功率運(yùn)放模塊，其中: 控制模塊，用于產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)Vinl，并將所述第一數(shù)字信號(hào)Vinl發(fā)送至所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊； 轉(zhuǎn)發(fā)模塊，與所述控制模塊相連接，用于將所述第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)發(fā)至D/A轉(zhuǎn)換模塊； D/A轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端與所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將所述第一數(shù)字信號(hào)Vinl轉(zhuǎn)換為模擬電壓VIS ； 功率運(yùn)放模塊，其第一輸入端與所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端相連接，其輸出端連接所述數(shù)控直流電流源的輸出端，用于輸出所述第一數(shù)字信號(hào)Vinl對(duì)應(yīng)的輸出電流
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于，還包括:電流檔位選擇模塊，位于所述功率運(yùn)放模塊和所述數(shù)控直流電流源的負(fù)載之間； 所述控制模塊，包括:存儲(chǔ)單元、電路選擇單元和計(jì)算單元，其中: 所述存儲(chǔ)單元，用于預(yù)存所述電流檔位選擇模塊中并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路的電流范圍區(qū)間和相應(yīng)電阻值，所述η≥I ； 所述選擇單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)輸出電流值Ifert和所述存儲(chǔ)單元中的電流范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電流檔位選擇電路，并將該組電流檔位選擇電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至所述電流檔位選擇模塊； 所述計(jì)算單元，用于計(jì)算(-1fcrt X & X P)，其中，所述P為采樣模塊中電流采樣單元的電流采樣系數(shù)，所述&為被選擇的電流檔位選擇電路對(duì)應(yīng)的電阻值，并將其轉(zhuǎn)化為第一數(shù)字信號(hào)Vinl后通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換模塊，所述KjSn; 所述電流檔位選擇模塊包括:第二控制單元和檔位選擇單元，其中: 所述檔位選擇單元，其控制端與所述第二控制單元相連接，其輸入端與所述功率運(yùn)放模塊的輸出端相連接，其輸出端與所述數(shù)控直流電流源的負(fù)載相連接，包括:并聯(lián)的η組電流檔位選擇電路； 第二控制單元，與所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于將電流檔位選擇電路的序號(hào)對(duì)應(yīng)的電流檔位選擇電路連通，將其他電流檔位選擇電路斷開。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于，還包括:采樣模塊，其兩輸入端與所述電流檔位選擇模塊的輸入端和輸出端相連接，其輸出端連接至功率運(yùn)放模塊； 所述采樣模塊包括:電流采樣單元； 所述電流采樣單元，其兩輸入端分別與所述電流檔位選擇模塊的輸入端和輸出端相連接，其輸出端與所述功率運(yùn)放模塊的第二輸入端相連接，用于將采集到的輸出電流信號(hào)Vfi發(fā)送至所述功率運(yùn)放模塊的第二輸入端，其中Vfi = (V0-V01) Xp, Vtj和Vtjl分別為電流檔位選擇模塊的輸入端和輸出端的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于，所述電流檔位選擇模塊，所述檔位選擇單元中每一組電流檔位選擇電路包括: 采樣電阻；及 開關(guān)子單元，與所述采樣電阻串聯(lián)，用于在所述第二控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電流檔位選擇電路的連通與斷開。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于，對(duì)于每一組電流檔位選擇電路I，所述電流范圍區(qū)間、所述電阻、電流采樣系數(shù)的關(guān)系為: 所述電流范圍區(qū)間乘以電阻再乘以電流采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在D/A轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于， 所述控制模塊中: 所述存儲(chǔ)單元，還用于預(yù)存所述電壓采樣單元的m組電壓采樣電路的電壓范圍區(qū)間及其對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)，所述m > I ； 所述選擇單元，還用于根據(jù)預(yù)設(shè)的輸出限壓值所在的電壓范圍區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的I組電壓采樣電路，并將該電壓采樣電路的序號(hào)通過(guò)所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至所述采樣模塊； 所述采樣模塊，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊與所述控制模塊相連接，包括:電壓采樣單元和第一控制單元；其中: 所述電壓采樣單元，其控制端與所述第一控制單元相連接，其輸入端與所述數(shù)控直流電流源的負(fù)載相連接，其輸出端與所述測(cè)壓/測(cè)流選擇模塊的第二端口相連接； 所述第一控制單元，與所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊相連接，用于根據(jù)所述電壓采樣電路的序號(hào)連通相應(yīng)的電壓采樣電路，同時(shí)斷開除該電壓采樣電路之外的電壓采樣電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于，所述采樣模塊，所述電壓采樣單元中每一組電壓采樣電路Gi包括: 運(yùn)算子單元，用于實(shí) 現(xiàn)數(shù)控直流電流源的輸出限壓值V^t與該組電壓采樣電路對(duì)應(yīng)的電壓采樣系數(shù)Qi的乘積運(yùn)算；及 開關(guān)子單元，與所述運(yùn)算子單元串聯(lián)，用于在所述第一控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)本組電壓采樣電路的連通與斷開。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于，對(duì)于所述每一組電壓采樣電路Gi，所述電壓范圍區(qū)間和電壓采樣系數(shù)的關(guān)系為:電壓范圍區(qū)間乘以電壓采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于，還包括:A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端口與所述電壓采樣單元的輸出端口相連接； 所述A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將此數(shù)字信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至所述控制模塊； 所述控制模塊，用于根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將從A/D轉(zhuǎn)換模塊返回的數(shù)字電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并判斷測(cè)量值是否在選定的電壓范圍區(qū)間內(nèi)，且根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行以下步驟:如果不是，且該電壓范圍區(qū)間不是最小級(jí)的電壓范圍區(qū)間，則將小一級(jí)的電壓范圍選擇電路的序號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至第一控制單元重新進(jìn)行測(cè)量，如果是或該電壓范圍區(qū)間是最小級(jí)的電壓范圍區(qū)間，則將該測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)控直流電壓源，其特征在于，還包括:A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端口與所述電流采樣單元的輸出端口相連接； 所述A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將此數(shù)字信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至所述控制模塊； 所述控制模塊，用于根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將從A/D轉(zhuǎn)換模塊返回的數(shù)字電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并將該測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于， 對(duì)于所述每一組電壓采樣電路Gi，所述電壓范圍區(qū)間和電壓采樣系數(shù)的關(guān)系為:電壓范圍區(qū)間乘以電壓采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)； 對(duì)于所述每一組電流檔位選擇電路I，所述電流范圍區(qū)間、電阻和電流采樣系數(shù)的關(guān)系為電流范圍區(qū)間乘以電阻再乘以電流采樣系數(shù)所得的電壓范圍區(qū)間要在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍區(qū)間內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于，還包括:過(guò)壓保護(hù)模塊，與所述采樣模塊、功率運(yùn)放模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊相連接； 所述控制模塊中，所述計(jì)算單元，還用于計(jì)算(V^tXqi)的值，并根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為第二數(shù)字信號(hào)Vin2，再通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換模塊，其中，Qi為被選擇的電壓米樣模塊對(duì)應(yīng)的電壓米樣系數(shù)； 所述D/A轉(zhuǎn)換模塊，還用于將所述第二數(shù)字信號(hào)Vin2轉(zhuǎn)換為模擬限壓VIL，并從其第二輸出端輸出； 所述過(guò)壓保護(hù)模塊，包括:第一運(yùn)放單 元和第二運(yùn)放單元，其中，第一運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第四電阻與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第三電阻與所述電流采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第五電阻與電壓采樣單元的輸出端相連接，其輸出端通過(guò)第一二極管連接至所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第九電阻與其第一輸入端相連接；第二運(yùn)放單元，其第一輸入端通過(guò)第七電阻和反相器與D/A轉(zhuǎn)換模塊的第二輸出端相連接，并通過(guò)第六電阻與所述電流采樣單元的輸出端相連接，其第二輸入端通過(guò)第八電阻與電壓采樣單元相連接，其輸出端通過(guò)第二二極管連接至所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端，并通過(guò)第十電阻與其第一輸入端相連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至10、12中任一項(xiàng)所述的數(shù)控直流電流源，其特征在于， 所述控制模塊為PC機(jī)，所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊為FPGA芯片；或 所述控制模塊包括:PC機(jī)和FPGA芯片的邏輯控制部分，所述轉(zhuǎn)發(fā)模塊為所述FPGA芯片的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)部分。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)控直流電流源。本數(shù)控直流電流源采用由D/A提供電壓再通過(guò)功率運(yùn)放直接輸出，從輸出電流采樣進(jìn)行反饋控制，輸出電流可從幾微安到幾安培，精度可達(dá)1‰，并且能實(shí)現(xiàn)雙向電流輸出。此外，本電源還具有過(guò)壓保護(hù)功能和對(duì)輸出電流和電壓的測(cè)量顯示功能。
文檔編號(hào)G05F1/46GK103218000SQ201210018619
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者徐春雨, 楊海鋼, 胡凱, 曾憲理, 王德利 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所