一種可PWM 調制的恒流源電路

李貴嬌，魯爭艷，李金寶，周蕾

（中國兵器工業第214所，江蘇蘇州，215163）

0 引言

PWM 即脈沖寬度調節機制，脈沖寬度調制是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中[1]。在當前許多電路系統中，都會用到恒流源。恒流源是指能夠向負載提供穩定電流的電源，是一種寬頻譜、高精度的直流穩流信號源，具有響應速度快、恒流精度高、穩定持久、適應各種負載等優點[2]。

恒流源在電子測量、傳感器技術、儀器儀表等領域都被廣泛應用。在電子測量領域，電流型DAC 將恒流源切換到電阻網絡中，恒流源內阻極大，相當于開路，所以能減小電子開關對轉換精度的影響，提高電流型DAC 的轉換速度和轉換精度[3]。在傳感器領域，恒流源有著非常廣泛的應用。某氣體測量傳感器由半導體氣敏材料制作，采用電橋電路的方式，但是電橋電路的輸出與傳感器的輸出并不成線性關系，所以采用恒流源的方式作為氣敏半導體傳感器的驅動，具有高線性度的效果[4]。在儀器儀表領域中，恒流源可用于校驗高精度電流表。在某些精密測量中，使用恒流源不僅能提高測試精度，增加儀表的使用期限，而且還可以減少反向電流變大造成的被測儀器儀表的損壞[5]。

現有的恒流源技術很少有將恒流源與PWM 調控融為一體的，即使融為一體，成本也是比較高的。目前可PWM 調制的恒流源電路設計一般采用專用的電源芯片或者數字電路來實現，對于高端應用場合還是比較理想的[6]。但對于一些低成本需求的場合，只需要產生恒流源的應用需求，數字化控制芯片需要額外的電源和復雜的隔離方式，電路復雜，成本比較高，無法滿足低成本需求場合。因此，本文設計一種結構簡單可靠、成本低的可PWM 調制的恒流源電路。

1 原理與設計

可PWM 調制的恒流源電路由三部分組成，具體由幅度調整電路、電壓提取電路、恒流輸出電路組成，電路原理框圖如圖1 所示。

圖1 可PWM 調制的恒流源電路原理框圖

幅度調整電路把頻率6kHz、高電平3.3V、低電平0V的PWM 輸入信號調整成頻率6kHz、高電平10V、低電平-10V 的矩形波信號。電壓提取電路對頻率6kHz、高電平10V、低電平-10V 的矩形波信號進行低通濾波，得到與頻率6kHz、高電平10V、低電平-10V 的矩形波信號占空比成正比的直流電壓信號。恒流輸出電路把直流電壓信號通過差分電路轉換成恒定的直流電流信號。下面具體介紹各部分電路的設計過程。

■1.1 幅度調整電路

幅度調整電路原理圖如圖2 所示。

圖2 幅度調整電路原理圖

由模擬開關ADG433 和外圍阻容組成幅度調整電路。ADG433 是一款單芯片CMOS 器件，內置四個獨立可選的開關。它采用增強型LCMOS 工藝設計，具有低功耗、高開關速度和低導通電阻特性。ADG433 有兩個開關的接通條件是相關控制輸入為邏輯高電平，而其他兩個開關的控制邏輯則相反。接通時，各開關在兩個方向的導電性能相同，輸入信號范圍可擴展至電源電壓范圍。所有開關均為先開后合式，適合多路復用器應用。設計本身具有低電荷注入特性，當開關數字輸入時，可實現較小的瞬變[7]。

ADG433 的最大額定電源電壓為44V，模擬信號范圍為-15V ～15V，導通電阻為24Ω，功耗小于3.9μW，TTL/CMOS 兼容型輸入，開關時間很快，接通時間小于165ns，斷開時間小于130ns，采用16 引腳DIP 和SOIC 封裝，可替代ADG411/ADG412/ADG413 等型號產品[8]。

輸入PWM 波形頻率6kHz、高電平3.3V、低電平0V。當輸入PWM 信號為0V 時，模擬開關的D1、S1 斷開，D2、S2 接通，輸出信號PWM_OUT 為10V。當輸入PWM信號為3.3V 時，模擬開關的D1、S1 接通，D2、S2 斷開，輸出信號PWM_OUT 為-10V。輸入PWM 信號和輸出PWM_OUT 信號波形圖如圖3 所示。

圖3 PWM 輸入輸出信號

■1.2 電壓提取電路

電壓提取電路原理圖如圖4 所示。電壓提取電路由電壓跟隨器、VCVS(壓控電壓源)低通濾波器、分壓電路組成。其中，電壓跟隨器、VCVS(壓控電壓源)低通濾波器由雙路運算放大器TL082 實現。

圖4 電壓提取電路原理圖

雙路運算放大器TL082 是一款以JFET 為前置放大器的集成運算放大器，因此具有很高的輸入阻抗和高達13V/μs 的壓擺率以及很低的總諧波失真。另外，雙路運算放大器TL082 還具有低功耗，寬共模和差分電壓范圍，輸出短路保護等優良特性，因而得到廣泛的應用。雙路運算放大器TL082 采用8 引腳封裝工藝[9]。

雙路運算放大器TL082 最大工作電壓36V，最小工作電壓7V。雙路運算放大器TL082 典型帶寬為3MHz，輸入失調電壓最大為6mV，失調漂移為18μV/℃，輸入偏置電流最大為200pA。雙路運算放大器TL082 共模抑制比最小為75dB，典型噪聲電壓為18μV[10]。

雙路運算放大器TL082 的一路用作電壓跟隨器，用于調節信號的輸入輸出阻抗。雙路運算放大器TL082 的另一路用作VCVS(壓控電壓源)低通濾波器，由片式電阻R1、片式電阻R2、片式電容C1、片式電容C2 組成二階低通濾波器。

VCVS(壓控電壓源)低通濾波器的截止頻率、帶外倍頻程抑制、帶內不平坦度是電路的關鍵參數，且要求較高。針對截止頻率、帶外倍頻程抑制、帶內不平坦度等指標，將低通濾波器設計成過渡帶窄的切比雪夫型濾波器，這樣可以獲得良好的帶外抑制特性和較為精確的截止頻率。為了滿足帶外倍頻程抑制、帶內不平坦度的要求，將VCVS(壓控電壓源)低通濾波器設計成二階低通濾波器。同時，為了滿足小體積集成需要，電路設計時從簡化電路結構和便于調試兩方面考慮，選擇元器件較少的VCVS(壓控電壓源)型二階低通濾波器實現低通濾波單元設計。VCVS(壓控電壓源)型二階低通濾波器的特點是選擇性好，帶外衰減陡峭，弱點是帶內有波動。通過歸一化方法合理選擇參數，可以將波動控制在很小的范圍內[11]。

低通截止頻率計算公式：

當R1=R2=20kΩ，C1=C2=1nF 時，計算得到fc=800Hz。

可見，VCVS(壓控電壓源)型二階低通濾波器的截止頻率為800Hz。因而，輸入頻率6kHz、高電平3.3V、低電平0V 的PWM 信號時，頻率6kHz、高電平3.3V、低電平0V的高頻信號被完全濾除，僅輸出與占空比成正比的直流電壓信號。通過改變占空比（0-100%）調節直流電壓大小，占空比越高直流電壓越大。

VCVS( 壓控電壓源)型二階低通濾波器在模擬實驗過程中，發現其并不能滿足該VCVS 型二階低通濾波器截止頻率、帶內波動的技術性能要求，因而需要對該參數進行調試。對VCVS 型二階低通濾波器進行調試，主要是對VCVS 型二階低通濾波器的增益和截止頻率進行調試。一般先對VCVS 型二階低通濾波器的增益進行調試，后對VCVS 型二階低通濾波器的截止頻率進行調試。對VCVS 型二階低通濾波器增益的調試規律為：增大VCVS 型二階低通濾波器的增益可通過增大片式電阻R1、片式電阻R2 實現，減小VCVS 型二階低通濾波器增益可通過減小片式電阻R1、片式電阻R2 實現。對VCVS 型二階低通濾波器截止頻率的調試規律為：增大VCVS 型二階低通濾波器截止頻率可通過減小片式電阻R1、片式電阻R2實現，減小VCVS 型二階低通濾波器截止頻率可通過增大片式電阻R1、片式電阻R2 實現。

分壓電路由片式電阻R3、片式電阻R4、片式電容C3組成，由片式電阻R3、片式電阻R4 的阻值決定分壓后輸出電壓大小。當R3=R4=30kΩ，輸出電壓V(FY_OUT)=V(LPF_OUT)*R4/(R3+R4)= V(LPF_OUT)/2。也就是說，分壓電路把輸入電壓V(LPF_OUT)減小一半后得到輸出電壓V(FY_OUT)，達到信號衰減的效果，以利于后續電路的處理。

■1.3 恒流輸出電路

可PWM 調制的恒流輸出電路原理圖如圖5 所示。恒流輸出電路由電壓跟隨器、推挽輸出電路、減法器三部分組成。其中，電壓跟隨器和減法器由雙路運算放大器TL082 實現。

圖5 恒流輸出電路原理圖

減法器由雙路運算放大器TL082（代號N5B）和片式電阻R11、片式電阻R12、片式電阻R13、片式電阻R14 組成差分放大器，其中，片式電阻R11、片式電阻R12、片式電阻R13、片式電阻R14 需要采用精度為0.1%的高精度電阻，輸入輸出關系如下所示：

VP=V1*R13/(R11+R13)

(V2-VP)/R12=(VP-VO)/R14

因R11=R12，R13=R14，故VO=(R13/R11)(V1-V2)。

當R11=200kΩ，R13=470kΩ時，VO=2.35(V1-V2)。

可見，減法器主要實現對電壓V1 和V2 的差放大2.35倍的功能。

當輸入PWM 占空比100%時，V(FY_OUT)=4.58V。

VO= V(FY_OUT)=4.58V，V1-V2= VO/2.35=1.95V。

當R10=39Ω時，IO=(V1-V2)/ R10=1.95V/39Ω=50mA。

當輸入PWM 占空比0%時，V(FY_OUT)=-4.58V。

VO= V(FY_OUT)=-4.58V，V1-V2= VO/2.35=-1.95V。

當R10=39Ω 時，IO=(V1-V2)/ R10=-1.95V/39Ω=-50mA。

可見，可PWM 調制的恒流源電路通過調節PWM 占空比對輸出電流大小進行調節，電流輸出范圍為-50mA ～50mA。當輸入PWM 占空比0%時，輸出電流-50mA；當輸入PWM占空比100%時，輸出電流50mA。

2 實驗

對可PWM 調制的恒流源電路輸入不同占空比的PWM信號，使可PWM 調制的恒流源電路輸出不同大小的電流，然后計算可PWM 調制的恒流源電路的電流輸出精度，其結果如表1 所示。

表1 可PWM調制的恒流源電路電流輸出精度計算表

占空比20%指的是輸入20%占空比的PWM 信號時恒流源輸出的電流大小，符號為I1，單位為mA。占空比50%指的是輸入50%占空比的PWM 信號時恒流源輸出的電流大小，符號為I2，單位為mA。占空比80%指的是輸入80%占空比的PWM 信號時恒流源輸出的電流大小，符號為I3，單位為mA。電流輸出精度指的是占空比20%輸出電流精度和占空比80%輸出電流精度的較大值，符號為E，單位為mA。

從表1 可以看出，可PWM 調制的恒流源電路輸出電流精度優于±0.4mA，達到了較高的精度，可以滿足大部分場合對恒流源精度的要求。

3 結論

一種可PWM 調制的恒流源電路利用模擬開關、運算放大器、三極管等常用模擬器件構成精密恒流源電路，通過調節PWM 占空比對輸出電流大小進行調節，具有結構簡單、控制方便、高精度輸出等優點，特別適合一些低成本需求的場合。