專利名稱：一種數(shù)字式恒流電流源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電流源，特別涉及一種數(shù)字式恒流電流源。
背景技術(shù)：
電流控制在電化學(xué)、現(xiàn)代生物技術(shù)中一直占有重要地位，許多化學(xué)反應(yīng)在一定強(qiáng)度電流的作用下得以迅速，高效的進(jìn)行，電泳、電滲析等技術(shù)領(lǐng)域更是離不開對電流的精確控制和測量。在許多反應(yīng)中，電流的大小會影響到反應(yīng)的速度、方向、以及最終反應(yīng)產(chǎn)物的比例，變化幅度過大的電流會使實(shí)驗(yàn)結(jié)果變得難以預(yù)料，瞬間流過的大電流可能會燒壞樣品，甚至引發(fā)難以預(yù)料的后果。因此，制造出一種精確高效的電流源在生化科研中有著極其重要的意義。鑒于高精度電流源在電化學(xué)、生化研究中的重要作用，從70年代中期至今人們一·直致力于適合電化學(xué)、生化研究使用的高精度恒流電流源的開發(fā)，公開號為CN1213229的《可變電流源》由多個(gè)加權(quán)電流源構(gòu)成，防止制造誤差引起的精度降低，但該電路過于復(fù)雜，多個(gè)加權(quán)電流源制造和調(diào)試都十分麻煩，精度也不高。公開號為CN1041230的《電流源裝置》大量采用晶體管，易受制造工藝和使用環(huán)境的影響，在測量過程中若溫度發(fā)生變化可能會使精度受影響；雖然使用了校正電路，但是電路結(jié)構(gòu)的離散型容易引入外界干擾，且整個(gè)系電路復(fù)雜、體積較為龐大。公開號為CN1038001的《電流源技術(shù)》采用NOR電路和推挽輸出級，此種裝置由于晶體管對稱性的問題，難以批量生產(chǎn)，此外，隨著使用環(huán)境改變，對稱晶體管的參數(shù)改變不一定一致，超出預(yù)定范圍時(shí)可能影響測試精度。上述設(shè)計(jì)還存在難以達(dá)到實(shí)時(shí)高精度的要求，且設(shè)備復(fù)雜龐大，缺乏人機(jī)交互界面等缺陷。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種數(shù)字式恒流電流源，解決現(xiàn)有電流源精度不夠高且不便于制造的問題。本實(shí)用新型所提供的一種數(shù)字式恒流電流源，包括采樣電阻、前置放大電路、RC濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、末級放大電路和電源電路，其特征在于所述采樣電阻一端接地，另一端分別接所述前置放大電路輸入端和負(fù)載，采樣電阻將采集的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號Vl后送至前置放大電路，前置放大電路將電壓信號Vl放大后，傳送給RC濾波電路，RC濾波電路將放大后的電壓信號進(jìn)行低通濾波，濾除背景噪聲后送到A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號Vd (n)，發(fā)送至數(shù)字處理器；數(shù)字處理器對數(shù)字信號Vd(n)進(jìn)行10階中值濾波并據(jù)其計(jì)算出下一時(shí)刻電壓輸出值V(n+1)，發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬信號，模擬信號經(jīng)末級放大電路放大后輸出至外電路；n為A/D轉(zhuǎn)換電路和D/A轉(zhuǎn)換電路的采樣時(shí)刻；所述電源電路將220V市電變壓到土 15V、+5V并穩(wěn)壓，對A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路提供+5V電壓，對前置放大電路、末級放大電路提供±15V電壓。所述的數(shù)字式恒流電流源，其特征在于[0009]所述數(shù)字處理器分別通過IO接口連接鍵盤和IXD顯示屏。所述的數(shù)字式恒流電流源，其特征在于所述前置放大電路采用偏置電流為IOOfA級的Difet型運(yùn)算放大器；所述RC濾波電路采用一階RC濾波電路；所述A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路分別采用12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述數(shù)字處理器依據(jù)下式計(jì)算下一時(shí)刻輸出電壓值V (n+1)V(n+Iset，
/( )初值V(O)為2048，當(dāng)出現(xiàn)V (n)等于0時(shí)，則將V (n+1)置為2048 ;其中，Isrt為所需輸出電流值，由鍵盤設(shè)定；當(dāng)前輸入電流值I(n)/( ) = ^M X 100(//A)，
4095Vd, (n)為數(shù)字信號Vd(n)經(jīng)10階中值濾波后得到的數(shù)值，當(dāng)I (n)等于0時(shí)，則將 I (n)置為 0. 01 u A0本實(shí)用新型電路簡單、穩(wěn)定性好，將采樣電路、前置放大電路、RC濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、末級放大電路和電源電路有機(jī)地裝配在一起，數(shù)字處理器對數(shù)字信號進(jìn)行了 10階中值濾波處理，減小A/D轉(zhuǎn)換電路等在外界干擾下引入的突發(fā)噪聲，能夠?qū)ω?fù)載電流進(jìn)行高精度有效的檢測和控制，可在I 100微安范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精度±0.5微安可調(diào)的電流控制；數(shù)字處理器還擔(dān)負(fù)著人機(jī)界面的處理，可以將設(shè)置電流數(shù)值和實(shí)際電流的大小顯示在LCD顯示屏上；方便用戶進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)、電化學(xué)相應(yīng)的科研和實(shí)驗(yàn)分析。

圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為采樣電路示意圖；圖3為前置放大電路電路示意圖；圖4為RC濾波電路示意圖；圖5為A/D轉(zhuǎn)換電路示意圖；圖6為D/A轉(zhuǎn)換電路示意圖；圖7為末級放大電路示意圖；圖8為電源電路示意圖；圖9為單片機(jī)小系統(tǒng)板示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。如圖I所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例，包括采樣電阻、前置放大電路、RC濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、末級放大電路和電源電路；數(shù)字處理器可以分別通過IO接口連接鍵盤和IXD顯示屏。各部分之間通過SPI (串行外設(shè)接口)總線、并行總線等進(jìn)行信息交互。如圖2、圖3所示，采樣電阻Rs將采集的來的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，采樣電阻R3 一端接模擬地，另一端Al分別接所述前置放大電路的前置運(yùn)算放大器ICl的“ + ”端和負(fù)載J5的一端，負(fù)載J5的另一端B2接末級放大電路輸出端。前置放大電路由前置運(yùn)算放大器ICl和外圍電阻構(gòu)成，微弱電流信號通過采樣電阻Rs輸入到前置運(yùn)算放大器ICl的“ + ”端，ICl的輸出端A2和端間接電阻R4，IC1的
端經(jīng)電阻R3接地，運(yùn)算放大器ICl采用0PA129芯片。如圖4所示，RC濾波電路為電阻R5和電容C3構(gòu)成的一階RC濾波電路；微弱電流信號經(jīng)前置放大電路放大后通過A2端進(jìn)入RC濾波電路進(jìn)行低通和抗混疊濾波前置放大輸出信號經(jīng)串接電阻R5后分兩路，一路經(jīng)A3端接入A/D轉(zhuǎn)換器Ul，另一路經(jīng)電容C3接到地，電流信號經(jīng)RC濾波電路后濾去了背景噪聲等干擾信號。如圖5所示，A/D轉(zhuǎn)換模塊采用ADS7818芯片及相應(yīng)去耦電容C4、C5。A3端為信號輸入端，Dl、D2、D3分別為A/D轉(zhuǎn)換芯片與數(shù)字處理器的接口。如圖6所示，D/A轉(zhuǎn)換模塊采用DAC7611芯片及相應(yīng)外圍電路。BI為模擬信號輸出端，D4、D5、D6分別為D/A轉(zhuǎn)換芯片與數(shù)字處理器的接口。圖2 圖6中，三角形表示模擬地；圖5、圖6中，四劃線形成的倒三角表示數(shù)字地；模擬地與數(shù)字地間通過磁珠LI相連。如圖7所示，末級放大電路由輸出運(yùn)算放大器IC2和外圍電阻構(gòu)成；數(shù)字處理器輸出的信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后通過BI端口連到輸出運(yùn)算放大器IC2的“ + “引腳，輸出運(yùn)算放大器的輸出端B2通過一個(gè)電阻R14接到其端，端經(jīng)電阻R17到地；輸出運(yùn)算放大器IC2采用AD817芯片，正負(fù)電源引腳端分別接+15V和-15V。如圖8所示，電源電路采用LM7805電源芯片用于提供+5V電壓，采用LM7815電源芯片、LM7915電源芯片分別用于提供+15V和-15V電壓，各芯片引腳I接電壓輸入，引腳
2接地，引腳3為穩(wěn)壓輸出，輸入引腳與地、輸出引腳與地分別接有0. 33 ii F和0. I ii F的電容。如圖9所示，數(shù)字處理器由單片機(jī)U1、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、程序下載接口、16 X 2IXD顯示屏、鍵盤組成。單片機(jī)Ul、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和程序下載接口構(gòu)成單片機(jī)正常工作的最小系統(tǒng)；16X2IXD顯示屏通過I/O 口連接單片機(jī)，由單片機(jī)控制顯示電流數(shù)值。實(shí)際使用中可根據(jù)需要將單片機(jī)轉(zhuǎn)換得到的實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)經(jīng)通信端口發(fā)送回到上位機(jī)供數(shù)據(jù)保存、分析；單片機(jī)Ul采用SST89E58RD芯片。時(shí)鐘電路由晶體振蕩器組成，其兩端分別接單片機(jī)的XTALl和XTAL2引腳，晶體振蕩器兩端分別通過電容C22，C23到地；復(fù)位電路采用高電平有效的RC復(fù)位電路，程序下載接口采用單片機(jī)的RXD、TXD和GND三個(gè)端口。16 X 2IXD顯示屏、鍵盤分別通過IO接口連接單片機(jī)。
權(quán)利要求1.ー種數(shù)字式恒流電流源，包括采樣電阻、前置放大電路、Re濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、末級放大電路和電源電路，其特征在于所述采樣電阻一端接地，另一端分別接所述前置放大電路輸入端和負(fù)載，采樣電阻將采集的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號Vl后送至前置放大電路，前置放大電路將電壓信號Vl放大后，傳送給RC濾波電路，RC濾波電路將放大后的電壓信號進(jìn)行低通濾波，濾除背景噪聲后送到A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號Vd (η)，發(fā)送至數(shù)字處理器；數(shù)字處理器對數(shù)字信號Vd (η)進(jìn)行10階中值濾波并據(jù)其計(jì)算出下ー時(shí)刻電壓輸出值V (η+1)，發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬信號，模擬信號經(jīng)末級放大電路放大后輸出至外電路；η為A/D轉(zhuǎn)換電路和D/A轉(zhuǎn)換電路的采樣時(shí)刻；所述電源電路將220V市電變壓到土 15V、+5V并穩(wěn)壓，對A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路提供+5V電壓，對前置放大電路、末級放大電路提供±15V電壓。
2.如權(quán)利要求I所述的數(shù)字式恒流電流源，其特征在于所述數(shù)字處理器分別通過IO接ロ連接鍵盤和IXD顯示屏。
3.如權(quán)利要求I或2所述的數(shù)字式恒流電流源，其特征在于所述前置放大電路采用偏置電流為IOOfA級的Difet型運(yùn)算放大器；所述RC濾波電路采用ー階RC濾波電路；所述A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路分別采用12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述數(shù)字處理器依據(jù)下式計(jì)算下一時(shí)刻輸出電壓值V (n+1)〖,(" +り?duì)Iな,’初值V (O)為2048，當(dāng)出現(xiàn)V (η)等于O時(shí)，則將V (n+1)置為2048 ；其中，Iset為所需輸出電流值，由鍵盤設(shè)定；當(dāng)前輸入電流值I (η)Ι(η) =-—X 100( U A)，，4095Vd, (η)為數(shù)字信號Vd (η)經(jīng)10階中值濾波后得到的數(shù)值，當(dāng)I (η)等于O吋，則將I (η)置為 O. 01 μ A。
專利摘要一種數(shù)字式恒流電流源，屬于電流源，解決現(xiàn)有電流源精度不夠高且不便于制造的問題。本實(shí)用新型包括采樣電阻、前置放大電路、RC濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、末級放大電路和電源電路，采樣電阻、前置放大電路、RC濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路依次串聯(lián)，數(shù)字處理器對A/D轉(zhuǎn)換電路所轉(zhuǎn)換的脈沖數(shù)字信號進(jìn)行10階中值濾波并據(jù)其計(jì)算出下一時(shí)刻對應(yīng)的電壓輸出值，發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬信號，模擬信號經(jīng)末級放大電路放大后輸出至外電路。本實(shí)用新型電路簡單、穩(wěn)定性好，能夠?qū)ω?fù)載電流進(jìn)行高精度有效的檢測和控制，可在1～100微安范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精度±0.5微安可調(diào)的電流控制，方便用戶進(jìn)行電化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)工程的科研和實(shí)驗(yàn)分析。
文檔編號G05F1/46GK202615255SQ20122018618
公開日2012年12月19日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者袁永亮, 屠志晨, 鄒雨過, 徐春海, 王剛, 蔡涵 申請人:華中科技大學(xué)