多路多档数字式交流恒流源及其调档与选通控制方法.pdf

本发明公开了一种多路多档数字式交流恒流源及其调档与选通控制方法，涉及恒流源技术领域，所述多路多档数字式交流恒流源包括依次连接的微控制单元MCU模块、信号发生器、信号处理模块、四路放大电路、调档电路、高精度运放模块和四路选通电路；所述MCU模块的控制信号输出端连接至所述调档电路和四路选通电路的控制信号输入端。与现有技术相比，本发明直接利用信号发生器产生正弦交流信号，不经过变压器和spwm变换，所以不会产生谐波，另外，整个方案原理简单，所用器件较少，成本较低，不易出现故障。

权利要求书
1.  一种多路多档数字式交流恒流源，其特征在于，包括依次连接的 微控制单元MCU模块、信号发生器、信号处理模块、四路放大电路、调 档电路、高精度运放模块和四路选通电路；
所述MCU模块的控制信号输出端连接至所述调档电路和四路选通电 路的控制信号输入端。

2.  根据权利要求1所述的多路多档数字式交流恒流源，其特征在于，
所述MCU模块采用芯片MSP430F149单片机；
所述信号发生器采用频率合成器芯片AD9850；
所述信号处理模块包括放大器，所述放大器的反向输入端与输出端相 连，正向输入端经一滤波电容与所述信号发生器的输出端相连，输出端也 经一滤波电容与所述四路放大电路相连。

3.  根据权利要求2所述的多路多档数字式交流恒流源，其特征在于， 所述四路放大电路具有四个输出端，分别与所述调档电路的四个输入端相 连；所述四路放大电路包含第一差分放大电路、第二差分放大电路、第三 差分放大电路和第四差分放大电路，其中：
每个差分放大电路均包括放大器，每个差分放大电路的放大器的反向 输入端分别经一限流电阻连接至所述信号处理模块的输出端，正向输入端 分别经一接地电阻接地，输出端分别经一反馈电阻连接至各放大器的反向 输入端，同时输出端分别与所述调档电路的四个输入端相连；
每个差分放大电路的放大器的正电源端与+5V电源相连，负电源端与 -5V电源相连。

4.  根据权利要求3所述的多路多档数字式交流恒流源，其特征在于， 每个差分放大电路中包含的限流电阻的阻值不同。

5.  根据权利要求3所述的多路多档数字式交流恒流源，其特征在于， 所述调档电路包括多路复用器ADG604，其中：
所述多路复用器ADG604的正电源端VDD与+5V电源相连，并且正 电源端VDD经一接地电容接地，负电源端VSS与-5V电源相连，并且负 电源端VSS也经一接地电容接地；
所述多路复用器ADG604的控制信号输入端EN、地址选择端A0、地 址选择端A1连接至所述MCU模块的控制信号输出端；
所述多路复用器ADG604的信号输出端Dout与所述高精度运放模块 的输入端相连。

6.  根据权利要求5所述的多路多档数字式交流恒流源，其特征在于， 所述高精度运放模块包括高精度运放芯片OPA551，所述运放芯片OPA551 的正向信号输入端经一限流电阻连接至所述调档电路的信号输出端Dout， 反向信号输入端经一接地电阻接地且与所述四路选通电路的回路端相连， 标识FLAG端经一接地电阻接地，信号输出端与所述四路选通电路的输入 端相连。

7.  根据权利要求6所述的多路多档数字式交流恒流源，其特征在于， 所述四路选通电路中每一路选通电路的端口包括一个控制端和两个输出 端，每一路选通电路的内部均包括依次连接的继电器动作单元、阻容滤波 单元和继电器驱动单元，其中：
所述继电器动作单元包括一个双刀单掷常开开关，所述双刀单掷常开 开关中的一路开关的两端连接所述高精度运放芯片OPA551的信号输出端 和所述继电器动作单元所在的四路选通电路的一个输出端，所述双刀单掷 常开开关中的另一路开关的两端连接所述高精度运放芯片OPA551的反向 信号输入端和所述继电器动作单元所在的选通电路的另一输出端，所述继 电器两端并接有起到保护作用的二极管；
所述阻容滤波单元由并联的电阻和电容形成。

8.  根据权利要求7所述的多路多档数字式交流恒流源，其特征在于， 所述继电器驱动单元包括N沟道结型场效应管和NPN型晶体管，其中：
所述N沟道结型场效应管的栅极连接所述MCU模块的控制信号输出 端，源极接+5V电压，漏极经一电阻连接至所述NPN型晶体管的基极；
所述NPN型晶体管的基极同时经一电阻接地，发射极直接接地，集 电极连接所述阻容滤波单元。

9.  根据权利要求1至8中任一权利要求所述的多路多档数字式交流 恒流源，其特征在于，所述四路选通电路的输出端外接有接口形式的输出 电路。

10.  权利要求1所述的多路多档数字式交流恒流源的调档与选通控制 方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：MCU模块接到八位调档与选通控制指令后，将该指令高 四位和低四位分开，高四位代表N路选择数据，低四位代表M档选择数 据；
步骤(2)：通过将低四位左移两位，改变调档电路地址端数值，选通 需要的某一档信号，实现多档的选择；
步骤(3)：通过将0x02左移，并且左移位数是N路的数值，打开某 一路信号对应的场效应管，实现多路的选择。

说明书多路多档数字式交流恒流源及其调档与选通控制方法
技术领域
本发明涉及恒流源技术领域，特别是指一种多路多档数字式交流恒流 源及其调档与选通控制方法。
背景技术
目前工厂进行的很多产品的调试和开发中，经常要用到多路高精度的 0～100mA的标准恒流信号源。在多路恒流信号源的成型产品中，目前市 场只有模拟式的单路信号源，还没有完全数字式的多路恒流源。在试验中 如果需要多路标准的恒流信号源进行调试，那就要用好几个单路信号源装 置来满足试验要求，而且目前所使用的模拟信号源大都是由电位器模拟调 节的恒流源，虽然比较简单，精度不高，而且由于它是用电位器调节，就 不可避免的具有随温度变化及磨损等降低精度的缺点。
随着电力工业的发展，交流恒流源在配电网络中各种电子产品需求量 大量增加。目前主要使用的交流恒流源电路多数采用SPWM(Sinusoidal  PWM，正弦脉宽调制)波形控制逆变电路，其先将变压器原侧的交流电 转换为直流电，再将直流电经SPWM波形控制逆变电路逆变成所需的交 流电。该电路会产生大量谐波反馈到电网，容易干扰电子产品的正常工作， 而且在使用过程中，用户需先通过MCU(Micro Control Unit，微控制单 元)设定电流值，整个恒流源的硬件电路所需元器件较多，成本也较高， 容易出现故障。
综上，目前市面上的恒流源存在以下问题：模拟式恒流源精度不高， 交流恒流源容易产生谐波反馈到电网，造成电网不稳，且成本较高，易出 故障。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电流精度高、不影响电网、成本 低且不易出故障的多路多档数字式交流恒流源及其调档与选通控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种多路多档数字式交流恒流源，包括依次连接的微控制单元MCU 模块、信号发生器、信号处理模块、四路放大电路、调档电路、高精度运 放模块和四路选通电路；
所述MCU模块的控制信号输出端连接至所述调档电路和四路选通电 路的控制信号输入端。
进一步的，所述MCU模块采用芯片MSP430F149单片机；所述信号 发生器采用频率合成器芯片AD9850；
所述信号处理模块包括放大器，所述放大器的反向输入端与输出端相 连，正向输入端经一滤波电容与所述信号发生器的输出端相连，输出端也 经一滤波电容与所述四路放大电路相连。
进一步的，所述四路放大电路具有四个输出端，分别与所述调档电路 的四个输入端相连；所述四路放大电路包含第一差分放大电路、第二差分 放大电路、第三差分放大电路和第四差分放大电路，其中：
每个差分放大电路均包括放大器，每个差分放大电路的放大器的反向 输入端分别经一限流电阻连接至所述信号处理模块的输出端，正向输入端 分别经一接地电阻接地，输出端分别经一反馈电阻连接至各放大器的反向 输入端，同时输出端分别与所述调档电路的四个输入端相连；
每个差分放大电路的放大器的正电源端与+5V电源相连，负电源端与 -5V电源相连。
进一步的，每个差分放大电路中包含的限流电阻的阻值不同。
进一步的，所述调档电路包括多路复用器ADG604，其中：
所述多路复用器ADG604的正电源端VDD与+5V电源相连，并且正 电源端VDD经一接地电容接地，负电源端VSS与-5V电源相连，并且负 电源端VSS也经一接地电容接地；
所述多路复用器ADG604的控制信号输入端EN、地址选择端A0、地 址选择端A1连接至所述MCU模块的控制信号输出端；
所述多路复用器ADG604的信号输出端Dout与所述高精度运放模块 的输入端相连。
进一步的，所述高精度运放模块包括高精度运放芯片OPA551，所述 运放芯片OPA551的正向信号输入端经一限流电阻连接至所述调档电路的 信号输出端Dout，反向信号输入端经一接地电阻接地且与所述四路选通电 路的回路端相连，标识FLAG端经一接地电阻接地，信号输出端与所述四 路选通电路的输入端相连。
进一步的，所述四路选通电路中每一路选通电路的端口包括一个控制 端和两个输出端，每一路选通电路的内部均包括依次连接的继电器动作单 元、阻容滤波单元和继电器驱动单元，其中：
所述继电器动作单元包括一个双刀单掷常开开关，所述双刀单掷常开 开关中的一路开关的两端连接所述高精度运放芯片OPA551的信号输出端 和所述继电器动作单元所在的四路选通电路的一个输出端，所述双刀单掷 常开开关中的另一路开关的两端连接所述高精度运放芯片OPA551的反向 信号输入端和所述继电器动作单元所在的选通电路的另一输出端，所述继 电器两端并接有起到保护作用的二极管；
所述阻容滤波单元由并联的电阻和电容形成。
进一步的，所述继电器驱动单元包括N沟道结型场效应管和NPN型 晶体管，其中：
所述N沟道结型场效应管的栅极连接所述MCU模块的控制信号输出 端，源极接+5V电压，漏极经一电阻连接至所述NPN型晶体管的基极；
所述NPN型晶体管的基极同时经一电阻接地，发射极直接接地，集 电极连接所述阻容滤波单元。
进一步的，所述四路选通电路的输出端外接有接口形式的输出电路。
进一步的，包括：
步骤(1)：MCU模块接到八位调档与选通控制指令后，将该指令高 四位和低四位分开，高四位代表N路选择数据，低四位代表M档选择数 据；
步骤(2)：通过将低四位左移两位，改变调档电路地址端数值，选通 需要的某一档信号，实现多档的选择；
步骤(3)：通过将0x02左移，并且左移位数是N路的数值，打开某 一路信号对应的场效应管，实现多路的选择。本发明具有以下有益效果：
工作时，首先MCU模块产生多路多档控制指令，发送至信号发生器， 信号发生器根据该控制指令产生相应的电信号，并把电信号传输至信号处 理模块，信号处理模块把处理后的信号传送至四路放大电路，四路放大电 路包括四路放大电路，分别对该电信号进行不同倍数的放大，调档电路在 MCU模块的控制下，选择其中某一路放大信号传送至高精度运放模块， 之后被选中的放大信号经过高精度运放模块后，变成了高稳定的恒流源信 号，进入四路选通模块后输出。
与现有技术相比，本发明利用四路选通电路和调档电路实现了只利用 一个高精度运放模块实现4路电流源信号的导通，由于4路信号共用一个 高精度运放模块，既节省了成本，又消除了4路信号的系统误差(即使相 同型号的芯片也会存在细微的差别)，使得本发明产生的恒流源精度比较 高；另外，本发明直接利用信号发生器产生正弦交流信号，不经过变压器 和spwm变换，所以不会产生谐波；最后，整个方案原理简单，所用器件 较少，成本较低，不易出现故障。
附图说明
图1为本发明的多路多档数字式交流恒流源的整体结构示意图；
图2为本发明的多路多档数字式交流恒流源的MCU模块示意图；
图3为本发明的多路多档数字式交流恒流源的信号发生器示意图；
图4为本发明的多路多档数字式交流恒流源的信号处理模块示意图；
图5为本发明的多路多档数字式交流恒流源的四路放大电路示意图；
图6为本发明的多路多档数字式交流恒流源的调档电路示意图；
图7为本发明的多路多档数字式交流恒流源的高精度运放模块示意 图；
图8为本发明的多路多档数字式交流恒流源的四路选通电路其中一路 电路示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合附图及具体实施例进行详细描述。
一方面，本发明一种多路多档数字式交流恒流源及其调档与选通控制 方法，如图1所示，包括依次连接的微控制单元MCU模块1、信号发生 器2、信号处理模块3，包含四路放大电路的四路放大电路4、调档电路5、 高精度运放模块6和四路选通电路7；MCU模块1的控制信号输出端连接 至调档电路5和四路选通电路7的控制信号输入端。
工作时，首先MCU模块1产生多路多档控制指令，发送至信号发生 器2，信号发生器2根据该控制指令产生相应的电信号，并把电信号传输 至四路放大电路4，四路放大电路4包括四路放大电路，分别对该电信号 进行不同倍数的放大，调档电路在MCU模块1的控制下，选择其中某一 路放大信号传送至高精度运放模块6，之后被选中的放大信号经过高精度 运放模块6后，变成了高稳定的恒流源信号，进入四路选通电路7后输出。
与现有技术相比，本发明利用四路选通电路7和调档电路5实现了只 利用一个高精度运放模块6实现4路电流源信号的导通，由于4路电流源 信号共用一个高精度运放，既节省了成本，又消除了4路信号的系统误差 (即使相同型号的芯片也会存在细微的差别)，使得本发明产生的恒流源 精度比较高；另外，本发明直接利用信号发生器2产生正弦交流信号，不 经过变压器和spwm变换，所以不会产生谐波；最后，整个方案原理简单， 所用器件较少，成本较低，不易出现故障。
具体的，本发明可以采用如下电路结构形式：
首先，如图2所示，MCU模块1优先采用芯片MSP430F149单片机；
MCU模块1是整个系统的控制中心，在MCU模块1的控制下，系 统实现信号生成与多路多档选通的功能。
如图3所示，信号发生器2优先采用频率合成器芯片AD9850。
当信号发生器2产生正弦信号后，微弱正弦电信号传输至信号处理模 块3，如图4所示，信号处理模块3包括放大器U13ATL062和滤波电容 C29，放大器U13ATL062的反向输入端与输出端相连，正向输入端经一滤 波电容C27与信号发生器2的输出端相连，输出端也经一滤波电容C29 与四路放大电路4相连。
实际上，信号发生器1的AD9850内含可编程DDS系统和高速比较 器，能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位 累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，相位寄存器的输出 与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正 弦波周期的数字幅度信息。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅 度信号，然后驱动DAC以输出正弦波模拟量。接着，DAC输出的模拟量 经过包含电压跟随器U13A和隔直电容C29的信号处理模块3。电压跟随 器U13A能起到隔离作用防止后边电路对前边电路的影响，并且能提高电 路的驱动能力。隔直电容C29则起到隔离直流，选通交流的作用，对信号 产生模块2产生的正弦波起到保护的作用。
接着，信号处理模块3处理后的信号被传送至四路放大电路4，如图 5所示，四路放大电路4具有四个输出端，分别与调档电路5的四个输入 端相连；四路放大电路4包含第一差分放大电路、第二差分放大电路、第 三差分放大电路和第四差分放大电路，其中：
每个差分放大电路均包括放大器U12A、U12B、U12C、U12D，其中， 每个差分放大电路的放大器的反向输入端分别经一限流电阻R15、R22、 R28、R38连接至信号处理模块3的输出端，正向输入端分别经接地电阻 R16、R25、R31、R41接地，输出端分别经一反馈电阻R14、R19、R27、 R36连接至各放大器U12A、U12B、U12C、U12D的反向输入端，同时输 出端分别与调档电路5的四个输入端相连；
每个差分放大电路的放大器的正电源端与+5V电源相连，负电源端与 -5V电源相连。
工作时，信号处理模块3输出的信号分别被传送至四路放大电路4所 包含的四路差分放大电路，由于四路差分放大电路具有不同的放大倍数， 所以，经过四路差分放大电路出来会形成四路大小不同的电信号。
上述四路差分放大电路中的限流电阻阻值不同，所以导致差分放大电 路的倍数不同。
当电流从四路放大电路4流出来后，就流进了如图5所示的调档电路 5，调档电路5中可以采用具有电路选择功能的相关器件，优选采用多路 复用器ADG604，其中：
如图6所示，多路复用器ADG604的正电源端VDD与+5V电源相连， 并且正电源端VDD经一接地电容C22接地，负电源端VSS与-5V电源相 连，并且负电源端VSS也经一接地电容C21接地；
多路复用器ADG604的控制信号输入端EN、地址选择端A0、地址选 择端A1连接至所述MCU模块1的控制信号输出端；
多路复用器ADG604的信号输出端Dout与所述高精度运放模块6的 输入端相连。
工作时，调档电路5根据MCU模块1发送来的控制信号指令，地址 选择端口指令，选择哪一路信号导通作为恒流源电路的输入，以控制恒流 源电路输出的大小，实现了恒流源多档的控制。由于数字芯片成本较低， 而且可靠性高，反应及时，确保了随时进行电流档位的切换，经济实用。
紧接着，流出多路复用器的信号流入高精度运放模块6，如图7所示， 该模块包括高精度运放芯片OPA551，运放芯片OPA551的正向信号输入 端经一限流电阻R33连接至调档电路的信号输出端Dout，反向信号输入 端经一接地电阻R29接地且与四路选通电路的回路端相连，标识FLAG 端经一接地电阻R32接地，信号输出端OUT与四路选通电路7的输入端 相连。
高精度运放模块6的核心是OPA551芯片，该芯片具有以下优点：宽 电源电压范围，±4V到±30V；高输出电流，能达到200mA；低噪声； 带自我保护功能；工作温度范围广；宽带宽范围；最主要的是该芯片的输 出特别稳定，能够快速的消除误差。利用该模块可以产生高精度、高稳定 性的恒流源信号。
当恒流源电信号从高精度运放模块6流出后，流入四路选通电路7， 如图7所示，每一路选通电路的端口包括一个控制端RELAY_1和两个输 出端OUT1_1、OUT1_2每一路选通电路的内部均包括依次连接的继电器 动作单元71、阻容滤波单元72和继电器驱动单元73，其中：
继电器动作单元71包括一个双刀单掷常开开关，该双刀单掷常开开 关中的一路开关的两端连接高精度运放芯片OPA551的信号输出端OUT 和继电器动作单元71所在的四路选通电路7的一个输出端OUT1_1，该 双刀单掷常开开关中的另一路开关的两端连接高精度运放芯片OPA551的 反向信号输入端-IN和继电器动作单元71所在的四路选通电路7的另一输 出端OUT1_2，继电器两端并接有起到保护作用的二极管D10；
所述阻容滤波单元由并联的电阻R17和电容E13形成。
工作时，继电器驱动单元产生的驱动信号，经过阻容滤波单元施于继 电器动作单元的输入端，控制两个常开开关同时导通和关断；在继电器驱 动单元由于环境变化等产生干扰电流时，阻容滤波单元很好的起到了滤波 作用，有效的防止了继电器的误动作；另外保护二极管D10，防止了突然 关闭四路选通电路7时，过大的感应电流烧坏继电器。
另外，如图8所示，上述继电器驱动单元73优选包括N沟道结型场 效应管和NPN型晶体管，其中：
N沟道结型场效应管Q1的栅极连接MCU模块1的控制信号输出端， 源极接+5V电压，漏极经一电阻R20连接至NPN型晶体管的基极；
NPN型晶体管的基极同时经一电阻R23接地，发射极直接接地，集 电极连接上述阻容滤波单元72。
工作中，MCU模块1发出多路控制信号，使得RELAY_1为1时,N 沟道结型场效应管Q1导通，电流经过R20到达NPN型晶体管Q3，Q3 导通使得+5V电压流经继电器K1，K1吸合使得恒流源经过OUT1_1供给 负载，OUT1_2作为电流回路。
该单元采用场效应管与晶体管两级驱动，增强了该部分的驱动能力和 响应能力，同时采用分离器件搭建驱动电路而非集成器件有效地降低了成 本，实现了较大的驱动能力。
其他三路选通电路原理和结构与之相似，此处不再赘述。
此外，四路选通电路7的输出端优选外接有接口形式的输出电路。
最后，为了实现多路多档数字式交流恒流源的调档与选通控制，我们 采用如下方法对其进行控制，包括：
步骤(1)：MCU模块接到八位调档与选通控制指令后，将该指令高 四位和低四位分开，高四位代表N路选择数据，低四位代表M档选择数 据；
高四位、低四位分开有利于对多档，多路的选择分别进行控制；
步骤(2)：通过将低四位左移两位，改变调档模块地址端数值，选通 需要的某一档信号，实现多档的选择；
左移运算占用指令较少，节省了MCU模块运算资源，左移两位有效 的利用了系统的IO资源，实现了电流多档的调换。
步骤(3)：通过将0x02左移，并且左移位数是N路的数值，打开某 一路信号对应的场效应管，实现多路的选择。
左移N位数值，刚好对应第N路数据，实现第N路导通。
举例说明如下：当需要选通第2路第2档的电路时，首先，选通第2 路第2档的控制命令是00010001，首先低4位左移2位即变成0100,这样 0和1通过引脚P2.6、P2.7即可控制多档的选择；高4位为0001，算法过 程为将0x02左移1位，即第3位(P3.2)为1，控制第2路继电器的闭合。 由于采用的引脚P3.1、P3.2、P3.3、P3.4而不是P3.0、P3.1、P3.2、P3.3， 所以选择将0x02左移高4位所代表的数值，也就是0x02、0x03、0x04、 0x05分别对应引脚P3.1、P3.2、P3.3、P3.4分别控制4路继电器的闭合。
本发明的有益效果如下：
与现有技术相比，本发明利用四路选通电路和调档电路实现了只利用 一个高精度运放模块实现4路电流源信号的导通，由于4路信号共用一个 高精度运放模块，既节省了成本，又消除了4路信号的系统误差(即使相 同型号的芯片也会存在细微的差别)，使得本发明产生的恒流源精度比较 高；另外，本发明直接利用信号发生器产生正弦交流信号，不经过变压器 和spwm变换，所以不会产生谐波；最后，整个方案原理简单，所用器件 较少，成本较低，不易出现故障。
在本发明控制方法的实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各 步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改 进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。