1、 硕士学位论文 程控高精度恒流源设计 DESIGN OF PROGRAMMABLE HIGH PRECISION CURRENT SOURCE 温英俊 哈尔滨工业大学 2011年6月 中图分类号： TP273.5 学校代码： 10213 UDC： 621.3 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： 彭 宇 教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科、专 业： 仪器科学与技术 所 在 单 位：自动化测试与控制系 答 辩 日 期：2011 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 Classified Index: TP273.5 U.D.C:
2、621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering DESIGN OF PROGRAMMABLE HIGH PRECISION CURRENT SOURCE Candidate： Wen Yingjun Supervisor： Prof. Peng Yu Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Instrument Science and Technology Affiliation： Department of Automatic Test and
3、Control Date of Defence： June, 2011 Degree-Confirming-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -I- 摘 要 在工业领域中，越来越多的电子设备需要高精度、宽范围的恒流源设备提供稳定 电流来驱动设备正常工作。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。 而且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 ，提出了一种基于模块设计的 程控恒流源，使其具有电路结构简
4、洁、输出精度高、稳定性强的优点。同时为了测试恒流源的性能，提出了一种适用于高精度 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。在此基础之上，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，又 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素进行细致研究，明确了影响恒流源稳定性的因素。并指出提高系统稳定的关键在于 DAC 外围电路和 V-I 电路稳定性方面的设计
5、。在软件上，采用 FPGA 固件设计实现了上位机对 DAC 输出电压的有效控制 。 最后在原航天部制定的标准基础 上，通过借鉴直流标准恒流源检定方法的行业标准，对其进行了 补充和完善，提出了 适用于本设计的评定 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要小于 1A、温漂系数 小于 1A/，负载、稳定度等其他各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；宽范围 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -II- Abstract
6、In the industrial field, more and more electronic devices require high-precision, wide range of constant current source device to provide a stable current to drive the device to work properly. Most of the current source products can not meet the requirements of high-precision electronic equipment, e
7、ven meet the requirements because of a small number of expensive, Because of the price 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 pa
8、per proposes programmable constant current source based on module-based design, which has a simple circuit structure, high output accuracy, stability and strong benefits. At the same time in order to test the performance of current source presents a high-precision current source for the evaluation m
9、ethod is proposed. Firstly， by analyzing the traditional constant current source technologies and the status of domestic and international current source products, this paper summarizes the advantages and disadvantages of the traditional constant current source technology . On this basis, put forwar
10、d specific design solutions through the design requirements and specifications of the analysis. Programmable current source designed with modular design has good expansion and portability, which also improve the current output range and precision at the same time. Program was designed to the specifi
11、c design of each module and error analysis, and the results of error analysis demonstrate the feasibility of the design. Through the meticulous research of the current source output current stability of the factors, clear of the main factors of stability constant current source for the reference vol
12、tage and the VI converter sampling resistor. And point out that DAC peripherals stability and VI circuit design is the key to improving system. In the software, use the firmware design on the host computer to control the output voltage DAC and calibrate output current calibration in the least square
13、s method. Finally, on base of supplement and improvement of the original standards set by the Department of Space, proposed design for the evaluation method， by drawing on the standards the DC current source industry standard test methods and complement and complete is According to proposed evaluati
14、on method， the constant source is measured 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -III- and technical specifications are assessed, experimental data prove that the maximum absolute error of the output current to less than 1A, temperature drift coefficient of 1A/ , load, stability and other technical indicators were also a
15、chieve the desired design requirements. Therefore, the design of the programmable current source and its assessment methods meet the demand for high-precision electronic devices. Keywords: constant current source, evaluation methods, modular design, high precision, wide range 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -IV- 目
16、录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题来源及研究的目的和意义 1 1.2 国内外恒流源技术研究现状 2 1.2.1 线性调节方式 . 3 1.2.2 开关式 . 4 1.2.3 控制理论 . 5 1.3 国内外恒流源产品现状 6 1.3.1 芯片级产品 . 6 1.3.2 模块化产品 . 7 1.3.3 仪器仪表 . 8 1.4 恒流源性能评定现状 10 1.5 课题的主要研究内容 10 第 2 章 恒流源系统总体设计 . 12 2.1 恒流源系统总体设计 12 2.2 恒流源系统功能和技术指标分析 12 2.2.1 恒流源系统主要技术指标定义
17、. 12 2.2.2 恒流源系统功能和技术指标分析 . 15 2.3 恒流源系统总体设计方案 17 2.3.1 控 制电压设计方案 . 17 2.3.2 V-I 转换设计方案 20 2.3.3 单环控制的设计方案 . 31 2.3.4 供电及电路隔离设计方案 . 32 2.4 恒流源系统误差分析 33 2.5 本章小结 35 第 3 章 恒流源系统硬件设计 . 36 3.1 D/A 转换器设计 . 36 3.1.1 AD5791 芯片简介 36 3.1.2 AD5791 外围电路设计 38 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -V- 3.2 V-I 转换电路设计 . 40 3.2.1 电路的稳定性
18、与反馈的关系 . 42 3.2.2 电流驱动芯片的作用 . 44 3.2.3 采样电阻的切换 . 46 3.3 微处理 器 48 3.4 供电设计 49 3.5 电路隔离技术 50 3.6 本章小结 51 第 4 章 恒流源系统软件设计 . 52 4.1 软件设计内容 52 4.2 FPGA 的固件设计 52 4.3 上位机软件程序设计 54 4.3.1 软件开发平台 . 54 4.3.2 仪器软面板设计流程 . 54 4.3.3 仪器软面板设计 . 55 4.4 本章小结 56 第 5 章 恒流源系统测试与评估 . 57 5.1 恒流源技术指标评定方法 57 5.2 技术指标的测试与评估 5
19、9 5.2.1 精度的测试与评估 . 60 5.2.2 温度系数的测试与评估 . 62 5.2.3 稳定度的测试与评估 . 66 5.2.4 负载的测试与评估 . 68 5.3 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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第 1章 绪论 1.1 课题来源及研究的目的和意义 本课题来源于哈尔滨工业大学自动化测试与控制研究所的 横向项目 ，研究的目的是针对目前市场上宽范围、高精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
20、 ，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、惯性导航等航天航空设备提供稳定驱动电流的高精度、宽动态范围的程控恒流源。 在航天及工业领域中，电子设备的稳定度和精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围环境、条件有关外，很大程度也取决于电源稳定度。电源分为恒压源和恒流源两种1。目前，程控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是程控恒流的技术还处在发展阶段，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、自动化检测、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
21、的仪器，人们对它的动态范围、精度等要求越来越高，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3。 目前，程控恒流源普遍采用压控方式2，即首先产生控制电压，然后经 过V-I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来调节输出电流。但由于控制电压产生方式， V-I转换实现方法以及 控制输出电流方式的不同，恒流源在输出范围以及精度上存在较大差异。在电机驱动和 伺服系统驱动等需要较大电流的应用中，普遍采用场效应管及 达林顿管等功率器件实现V -I转换9， 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 几百倍甚至上千倍，所以这类恒流源的输
22、出范围可以 安培级别 以上，但受功率器件精度以及控制方法的制约，其精度普遍低于 14,5。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境中，多直接采用电流输出型D/A转换器 或者 运放来 产生输出电流 ，虽然精度能够在 A级别甚至是nA 级别69， 但受到D/A 转换器和运放自身 精度、输出范围等因素限制， 输出电流范围较小，所以该类恒流源动态 输出范围通常不会达到十几或者几十 mA；另外，为保证电流 输出精度 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A 级别，输出范围在
23、 100mA左右的 恒流哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 源，显然上述的两类恒流源都不能够满足要求 。本文针对实际需求 ， 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高精度和宽动态范围要求，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10，由“虚短”和“虚断”可知， Rf上面的电压就是输入电压 VS， 并且 Rf和 RL上面流过的电流相等，所以可以通过控制输入电压 VS来控制负载 RL上面的电流，实现了恒流的目的。 Vs RLRfU1 1 2 +
24、- + - VaVb+ - 图 1-1 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要有两种形式：脉冲调宽式恒流源和线性负反馈式恒流源11，下面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 恒流源形式 通过改变调整器的工作脉冲宽度达到恒流的目的。 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，但精度指标多为 1%10%FSR 左右12。 （ 2） 线性负反馈式恒流源 这种 恒流
25、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 ，具有失真小、稳定度高、纹波小等特点，但功率损耗大、效率较低，主要应用于高精度场合。由于它们广泛采用了高稳定、高精度的能隙基准源和薄膜电阻，并采用了精密温度补偿技术或芯片恒温槽技术，以及负反哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- 馈补偿技术，因此不仅使电路具有较高的精度、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、高精度、低温漂、低时漂等特点13。目前其动态范围在数十到数百个 mA 之间，精度指标在 0.01%FSR 左右。 通过对比两种恒流源形式的优缺点可得表 1-1。由 表 1-1
26、 可知，两种形式的可按照各自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，而按照控制理论来分类，则可以简单分为单环 路 控制式和多环 路 控制式两种12。 表 1-1 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，电流输出范围大 线性调节、稳定度高、纹波小 缺点 开关调节、纹波电流大，辐射干扰强、恒流精度低 功率损耗大、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整电路（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于负载上面的电流，通常将调整管与负载 按照串联方式进行连接
27、，也有少数情况下，采用并联的方式进行连接14。 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 反馈采样电阻 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，需要先经过由 U1 和 U2 构成的前端信号调理电路。开环情况下，这样即使产生电压出现 很小的 电压 变化，由于 U2 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 上面的电压 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
28、定不变的，所以 Io也恒定不变，这就构成了一个恒流源。调节 Ur 的值即可改变输出电流的大小11。 U1 U2 Ur IO G1 + - + - Vcc R1R2R3R4R5C2C3R6RLRs UO 图 1-2 串联线性调节方式恒流源 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 总的说来，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面。特别是功率管工作在线性方式，造成线性电源的 输出 效率很 低、 自身的成本 无法降低11。 解决方案是电路中增加微处理器（ MCU） 和 DAC，由微处理器 来控制DAC 输出电压 Ur
29、，这时可以用微处理器精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15。 Rs U1 U2 Ur IO G1 + - + - + - RLVcc D1 C1 UO R1R2R3R4R5C2C3L1R6U3 图 1-3 开关调节方式恒流源 开关方式相比于线性方式具有本质的区别。与图 1-2 相比， 图
30、1-3 在放大器 U1 和 U2 之后增加了一个比较器 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， 由于功率管的开关特性，使它工作在开关状态。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 RL11。由于负载电阻 RL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
31、压，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 Ur 的大小即可改变 U2的输出电压的直流有效值 ，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。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- 由 图 1-3 可见， 由于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16。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的漏极与源极之间，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%
32、以上，优秀的开关式恒流源一般都在90%以上1117。虽然开关式的恒流源可以通过增加微处理器来控制 Ur，提高输出电流的精度，但是总的来说，它的精度要低于线性调节恒流源。 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 开关式的恒流源 精度 高 低 效率 低 高 控制方法 单 环 /多环控制均可 单环/ 多环控制均可 1.2.3 控制理论 按照控制理论来分类，可以简单分为单环路 控制式和多环 路 控制式两种。其中，可控恒流源构成单环路 控制，由图 1-4 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
33、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： DAC V-I电路IoMCUPC机图 1-4 单环路控制 PC机 MCUV-I电路IoADCDAC采样电路图 1-5 多环路控制 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、范围主要由 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，由于增加了负反馈电路，提高了电流输出的精度和稳定度。但是其结构复杂、价格高，适用于高精度校准仪器的设计。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- 1.3 国内外恒流源产品现状 精密恒
34、流源传统上采用运算放大器、电阻和其它分立器件构建，但存在尺寸、精度和温度漂移等方面的不足。现在，高精度、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19。因此随着科技的不断发展，国内外市场上的恒流源产品的正朝着便携化、低成本、低功耗的方向发展。总的来说，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20。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 目前，恒流源在芯片设计方向上普遍采用线性调节技术，产品按照量程进行分类，主要分为两种：一种为输出范围小，精度高，代表产品为 AD 公司的AD5410/AD542021；另一种
35、为输出范围较大，精度较低，代表产品为凌力尔特 公司的 LT309222。下面分别介绍一下两种产品的特点。 （ 1） AD5410/AD5420 AD5410/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。提供电流范围可编程为4mA20mA、 0mA20mA 或者 0mA24mA 的超量程，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串行接口（SPI 、MICROWIRE、 QSPI 和 DSP 兼容接口），可在三线式模式下工作，最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
36、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围低端的异步清零引脚。 （ 2） 凌力尔特公司 的 LT3092 凌力尔特公司生产的 LT3092，其电流输出范围为 0.5mA200mA、两端可编程恒流源 LT3092 是一款可编程恒流源。它仅需两个电阻器来设定一个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情况下实现稳定，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，主要应用在两端浮动恒流源、可变恒流源以及电源限制器等方面。 这款器件的 SET 引脚具有 1%初始准确度和低温
37、度系数。电流调节性能优于 10ppm/V（ 在 1.5V 至 40V 的电压范围） 。 LT3092 在低至 1.5V 或者高达40V 时工作，它在 1mA 时提供 100M 阻抗，在 100mA 时则为 1M。与其他哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7- 大部分的模拟 IC 不同，专用设计技术已被用来实现无电路旁路电容的稳定工作，从而允许它提供高 AC 阻抗和高 DC 阻抗。而且对于较大设置电流或者高电压，LT3092 的功耗相对大。为了降低自身的功耗，通过一个外接电阻可将部分功率转移到电阻上来降低芯片的功耗。为使器件稳定其实很容易，可以插入一个电阻与稳流器串联或者在器件的 Vin和 Vou
38、t两端跨接电容器（基本上是一个旁路电容器）或串联 RC。这就是其本身有一个已知的阻抗，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 ） 。它非常适合用来驱动传感器、远程电源，并作为一个用于局部电源的精准电流限制器。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 3mm3mmDFN 封装。 将 LT3092 的技术指标跟 AD5410 进行对比，可得到 表 1-3。 表 1-3 芯片技术指标对比 AD5410 LT3092 输出范围 4mA20
39、mA 或 0mA20mA 或 0mA24mA 0.5mA200mA 精度 0.01% of FSR 1% of output 温漂 3 ppm of FSR/C 1% of output/C 1.3.2 模块化产品 目前市场上恒流源的模块化产品主要是基于 VXI、 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 1-4 所示 。 表 1-4 模块化产品主要技术指标对比 产品 AgilentE1328A（ VXI） 航天测控 AMC4401A（
40、 PXI） 哈工大测控所 PCI 恒流源模块 输出范围 24mA 420mA， 020mA，024mA -5050mA 精度 4A (0.1%设定值+5A ) 6A 稳定度 24-hour: (0.05% of output+7A) 90-day: (0.15% of output+59A) 通道数 4 16 3 AMC4401A 是基于 PXI 总线的 16 通道高精度隔离模拟输出模块，输出电压值和电流值都可程控设定23。模块的 16 个通道可单独设置输出方式，所有哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8- 通道可独立更新输出值。该模块在恒压输出时，电压的输出范围为 -10V+10V，输出分辨率
41、 16bit，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 500；当电流输出开路时，模块具有输出开路报警功能；在电压输出时，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 是基于 VXI 总线的 4 通道高精度隔离模拟输出模块，具有自动校准功能24。 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精度电压和电流激励源可应用于过程控制和测试测量等领域。
42、 而哈工大测控所基于 PCI 总线的程控恒流源 模块。在该恒流源模块中，以 16 位 DAC 产生高精度控制电压，采用具有极低偏移和温漂特性的运算放大器实现 V-I 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 电流精度高、稳定度好。 并且在 V-I 转换电路基础之上 ，利用运算放大器并联技术，增大了恒流源的输出范围9。 在 50mA 的电流输出范围内，电流精度达到最大绝对误差不低于 6A。由于哈工大测控所的恒流源模块，电流输出范围大、精度高，主要应用在陀螺仪、惯性导航等航天、航空设备方面。 1.3.3 仪器仪表 目前很多国内外的仪器公司都有其典型的恒
43、流源产品，例如：美国吉时利公司 6221、日本横河公司的 GS200、美国 Fluke 公司的 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。下面简要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 该系列产品是目前业内业界唯一的低压交、直流恒流源，快速、高精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25。 （ 2） 日本横河公司的 GS200 GS200 是直流电压/ 恒流源，拥有高精度，高稳定性，高的分辨
44、率。凭借其出色的可跟踪性，稳定性和 5 1/2-digit 决议，GS200 产生非常低噪音直流电压和电流信号，是许多应用的要求。 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工业大学工学硕士学位论文 -9- 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26。 （ 3） 美国 Fluke 公司的 5700A 和 5720A 美国 Fluke 公司的 5700A 和 5720A 代表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
45、， 5700A 已经演变为 5700A 系列 II。这是 Fluke公司生产的、经过大量测试证明、极为可靠的、高精度校准器。 5700A 已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度27。 在此基础之上，后来研制出来的 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、易于使用和全世界范围的支持能力之外， 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要求。这种性能的
46、提高是通过设计出众多硬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 JBP 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。下面以 上海金壤电子科技有限公司 JBP 系列程控恒流源来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，恒流输出精度极高，电流 /电压高分辨率为 1mA/1mV。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来表示精度，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
47、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型产品的特性比较如表 1-5 所示。 表 1-5 恒流源典型产品特性比较 产品 精度 输出范围 日本横河仪器公司的新横河 GS200 0.03%输出+5A 最大输出 200mA Fluke 5700A 45ppm 输出+ 0.01A 02.2mA 45ppm 输出+ 0.1A 2.2mA22mA 55ppm 输出+ 1A 22mA220mA Fluke 5500A 0.010%输出+ 0.05A 03.29999mA 0.008%输出 +0.25A 3.29999mA32.
48、9999mA 0.008%输出+ 3.3A 32.9999mA329.999mA 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -10- 表 1-5（续表） 北京亿良科技有限公司 YL4012-50 0.05%输出+0.1A 最大输出 200mA 上海金壤电子有限公司的 JCP 系列 最大绝对误差 1mA 010A 1.4 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，越来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，虽然国家于 2004 年发布了关于低压直流电源设备的性能特性的国家标准，但是该标准仅适用于输出直流电压在 250V 以下，功率小于 30kW，由 600V 以下
49、交流或直流源电压供电的低压电源设备（包括开关型）28，而关于恒流源性能的评定还没有一个统一的国家标准，因此大部分行业自行制定了关于恒流源性能特性评定的行业标准。例如：原航天工业部于 1987 年施行的直流标准恒流源检定方法 ，中国计量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2930。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、负载调整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自的行业标准提供了依据，因此对于恒流源性能评定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 随着高精度应用场合对恒流源的性能和体积的要求越来越高，现有的恒流源 模块化产品或者芯片级 产品无法满足应用需求，而且没有统一的国家标准来评定恒流源产品的性能指标。高精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。本文在分析成型的恒流源电路结构
