一種可調(diào)恒流源的調(diào)理測量方法

羅嵐芮， 范承宇， 孫廣明

（中國兵器裝備集團(tuán)自動化研究所， 四川 綿陽 621000）

0 引言

恒流源是一個常見的電子元器件， 它能夠?yàn)殡娐诽峁┮粋€穩(wěn)定的電流，但電流在電路中通過時，會因?yàn)殡娐分械娜菘棺杩沟纫蛩貢?dǎo)致在輸出端口采集到的電流與恒流源輸入的電流的值有誤差。 在如今，科技高速發(fā)展，各種儀器，電路對于電流的精度有著較高的要求，本文中的方法便是能通過硬件和軟件相結(jié)合的方式對電流進(jìn)行調(diào)理和校準(zhǔn)， 在一定程度的消除采集的電流與輸入電流的誤差，從而提高電流的精度。

1 總體設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

恒流源的電流調(diào)理檢測一共分為四個部分， 第一個部分是電流與電壓之間的轉(zhuǎn)換， 將可調(diào)恒流源輸入的電流通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓，然后輸入到電路中；第二個部分是硬件部分，通過運(yùn)放電路對收到的電壓進(jìn)行的調(diào)理，并消除其偏置電壓；第三部分為AD 采集，采集經(jīng)過運(yùn)放電校驗(yàn)后的電壓。 第四部分為軟件部分，將經(jīng)過AD 采集后的電壓輸入給單片機(jī)，通過軟件對電壓進(jìn)行校準(zhǔn)后，最后與負(fù)載電阻相除得到高精度的電流。 其流程框圖見圖1。

1.2 重點(diǎn)

本文采集電流的方案主要的部分是軟件和硬件部分，經(jīng)過軟件和硬件配合調(diào)理校準(zhǔn)后，能夠基本消除通過電路時導(dǎo)致的誤差，最后采集到的電流與恒流源輸出的電流誤差在千分之一左右。

圖1 基本流程圖

2 電流電壓轉(zhuǎn)換

在電流采集中，單片機(jī)不能直接采集電流，需要先將電流轉(zhuǎn)換為電壓后，再由AD 采集后輸入到單片機(jī)。 因此需要將電流通過一個負(fù)載電阻， 把電流轉(zhuǎn)換為電壓后再輸入電路中。 本文中測試的恒流源的電流范圍為0～100mA。 負(fù)載電阻的值為50Ω，將恒流源的電流轉(zhuǎn)換為范圍為0～5V 的電壓輸入到運(yùn)放電路中。

3 硬件部分

3.1 概述

電流采集的硬件部分由運(yùn)放電路組成。 運(yùn)放電路對于輸入的電壓的調(diào)理主要有兩個方面， 第一是消除電路中的零點(diǎn)漂移，第二是通過調(diào)整放大系數(shù)，初步校準(zhǔn)電壓的精度。 這兩個步驟都是通過運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)。

3.2 零點(diǎn)漂移

在運(yùn)算放大電路中， 當(dāng)電路的輸入電壓為0V 時，受溫度變化、電路中電源電壓不穩(wěn)定等因素的影響，是靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，并被逐級放大和傳輸，導(dǎo)致電路輸出端電壓偏置原固定值而上下漂動的現(xiàn)象， 它又被稱為零點(diǎn)漂移。在使用運(yùn)算放大電路時，不可避免的會出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，對輸出電壓造成影響，漂移電壓大小可以和有效信號電壓相比時，是很難在輸出端分辨出有效信號的電壓，在漂移現(xiàn)象嚴(yán)重的情況下，往往會使有效信號“淹沒”，使放大電路不能正常工作。 運(yùn)放電路的輸入端設(shè)置一個偏置電壓，來抵消電路的零點(diǎn)漂移電壓，消除零點(diǎn)漂移帶來的誤差[1]。

3.3 系數(shù)修正

在消除零點(diǎn)漂移后，電壓在經(jīng)過放大電路放大后，輸出的實(shí)際電壓會與預(yù)計電壓有誤差。 通過改變運(yùn)算放大電路的放大增益，對電壓進(jìn)行初步校驗(yàn)，使輸出的實(shí)際電壓與預(yù)計的電壓的值的誤差在千分之五左右。 可以通過改變電阻的大小，來實(shí)現(xiàn)不同的放大增益。

3.4 運(yùn)放電路設(shè)計

先對通過電路的電壓進(jìn)行測量， 得到實(shí)際的電壓值（mV）與標(biāo)準(zhǔn)的電壓值（mV）的關(guān)系圖如圖2 所示。測電流的范圍為0-100mA， 通過負(fù)載電阻后電壓的范圍為0～5V，通過改變恒流源的輸出，根據(jù)其通過電路輸出的值，作以標(biāo)準(zhǔn)電壓（mV）為橫軸，實(shí)際電壓（mV）為縱軸的散點(diǎn)圖，計算出一條過零點(diǎn)的直線，使各散點(diǎn)都趨近于這條直線y=ax+b，b 為設(shè)置的抵消零點(diǎn)漂移的電壓，a 為實(shí)際電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓的系數(shù)，根據(jù)公式，調(diào)整運(yùn)放電路中各個電阻的值，使電壓在通過放大電路后與預(yù)計值相符合。

圖2 實(shí)際電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓關(guān)系圖

本文中電壓校準(zhǔn)的運(yùn)放電路所用的運(yùn)放放大器芯片是ADTL082。 消除零點(diǎn)漂移的電壓基準(zhǔn)的型號是LT1460。電路中所用電阻皆是高精度電阻。根據(jù)上述電壓電流圖，設(shè)計放大電路，消除零漂和校準(zhǔn)電壓。 最后搭成的運(yùn)放電路圖如圖3 所示。

圖3 運(yùn)算放大電路原理圖

4 電壓采集

經(jīng)過運(yùn)算放大電路校驗(yàn)后的電壓需要經(jīng)過AD 采集后再輸入單片機(jī)由軟件進(jìn)行校準(zhǔn)。 本文中使用的AD 采集芯片型號為ADS8685，單片機(jī)芯片型號為GD32F207。

5 軟件部分

5.1 概述

經(jīng)過運(yùn)算放大電路初步校準(zhǔn)后的電壓， 解決了電路中零點(diǎn)漂移的問題，但是在電壓的精度上，還能夠有所提高。 通過AD 采集后輸入到單片機(jī)中，通過軟件對于電壓進(jìn)一步進(jìn)行更加精密的校準(zhǔn)。 使最終采集的電流精度進(jìn)一步提高。

5.2 軟件設(shè)計

軟件部分是對經(jīng)過初步校驗(yàn)后的電壓進(jìn)行更精密的校準(zhǔn)。 將輸入進(jìn)來的0～5V 的電壓根據(jù)電壓的值，均等分為5 段，每段的電壓量程為1V，恒流源的步徑為5mA。通過軟件對每段的電壓的值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，把理論的電壓值與單片機(jī)收到的實(shí)際電壓值相除，得出兩個電壓的比例系數(shù)。 每段電壓都會獲得該段電壓的系數(shù)，把每一段的電壓分別乘上各段電壓的系數(shù)，最后整合起來得到校準(zhǔn)后的電壓， 得到的電壓符合精度要求。 軟件的流程框圖如圖4。

圖4 軟件設(shè)計流程框圖

6 總結(jié)

經(jīng)過運(yùn)放電路和軟件的共同調(diào)理校準(zhǔn)， 輸出電流范圍為0～100mA 步徑為5mA 的恒流源，最終測試的電流值的誤差能夠小于千分之一。 符合實(shí)驗(yàn)的預(yù)期。