感性负载下高精度电流源研究_张智勇.pdf

|117实验研究0 引言航空机载设备之间需要传输各种信号，信号传输方式除了常规的直流电压传输之外，电流信号由于具有其较简单的结构，较强的干扰抑制能力，较强的远距离传输能力以及安全可靠的优势，运用也十分广泛。电流信号通常由精密的电流源电路产生，设计精密的电流源是电流信号稳定可靠传输的重要基础。目前，大部分电流源的输出均由输入电压直接控制，输出电流大小与输入电压基本呈线性关系，输入电压经 V-I 转换电路输出电流。因为输入电压产生的电路拓扑多种多样，以及 V-I 转换电路拓扑也各不相同，所以电流源在输出范围和输出精度方面有各自特点1。文 献 4 对 Howland 电 流 源 进 行 了 研 究，原 本 的Howland 电流源电路输出受负载干扰较大，分辨率、控制精度和稳定性都不高。该文献针对这些问题，以 DSP 为控制核心，将 Howland 电流源电路进行了改进，DSP 控制12 位 DAC 产生电压基准作为压控电流源的输入。同时，设计电流反馈，实时采样和比较，对电路进行精确的控制和补偿。测试结果表明，改进的 Howland 电流源电路安全性和准确性均得到了提升，负载的影响显著降低，稳定性，精度和分辨率都有一定提升，满足力矩电机等高精度高安全性要求的应用需求4。文献 5 提出了一种高精度宽范围的数控电流源模块，该电流源模块包含一种由运算放大器和 P 沟道 MOS 管组成的压控电流输出电路。在该设计中，输出电流精度高，范围宽，同时高度集成的运算放大器使电路具有小型化优点 5。文献 6 提出了一种支持正负 20mA 范围内输出的高精度电流源电路，其 V-I 转换核心由两个相同的仪表放大器组成，输出精度可达千分之一，并同时检测电流的反馈值上报 CPU 3。当电流源驱动阻性负载或者容性负载时，输出电流稳定性较好。然而，在感性负载下，输出电流变化时，电路的稳定性以及快速性均会受到一定程度的考验7，该文献没有考虑感性负载对电路输出的影响。本文在文献 6 的基础上进行感性负载下高精度电流源的稳定性和快速性研究。1 电路基本原理文献 6 提出的电路核心包括级联的仪表放大器以及推挽电路，如图 1 所示，仪表放大器 U1 的输出控制推挽电路的基极电压，仪表放大器 U2 提供误差校正，误差电压送至U1 的基准脚，并与输入电压 Uref相加，结果得到一个与输入电压 Uref成正比的输出电流 IOUT，即使在 90mA 输出时也可以保持高精度。仪表放大器虽然是由运算放大器发展而来的,但比运算放大器性能更好,是一个更加精确的差分电压放大器8。因为在仪表放大器的里面还整合了关键电极块,所以它具备高共模控制比、高输入工作电流、低噪音、低线性误差、低损失漂移增益等设计灵活和应用简便的特性,应用于高速的控制、数据采集以及传感器信号的放大等技术,在医疗仪器,航空航天,高档音响设备等领域倍受青睐。另外,仪表放大器差分输出,单端输入,自身是一个小闭环系统。通常,计感性负载下高精度电流源研究张智勇，卢亦桐，韩静怡，任晓琨（中国航空工业集团公司 西安航空计算技术研究所，陕西西安，710076）摘要：当电流源电路驱动感性负载时，电路稳定性和快速性会受到一定程度的考验。本文通过Saber软件仿真分析了一种支持-2020mA 电流输出的高精度电流源在感性负载下的稳定性和快速性，该电路在感性负载下的稳定性较好和快速性较好，但是阶跃响应超调较大。针对其阶跃响应时超调过大的问题提出一种并联电阻电容的校正方案，仿真结果表明，经过参数整定，本文提出的校正方案可以消除超调，同时不影响电路原有稳定性和快速性，增强了此高精度电流源的实用性。关键词：感性负载；高精度电流源；稳定性；快速性；超调+-RefOut1+-RefOut2-15V+15V+15V-15V+15V-15VRS负载IOUTIOUTO+O-UrefRG1RG2U1U2Q1Q2图 1 核心电路原理图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.05.005118|电子制作 2023 年 3 月实验研究算放大器的闭环增益是根据反相输入端和输入输出端间所连接的外界电流确定,但在仪表放大器内有反馈电阻网,由反馈网络和输入端口相互隔离,增益范围可由内部电流预置,也可由设计师设计的外界增益电阻选择。仪表放大器的基本结构是两级差分放大电路9，如图2 所示。其中,运放 O1,O2 的方式均为同相差分信号,由于采取了同相信号的方法,进入信号电压较高,因而集成电路中对微弱输入信息的减弱作用较小;通过差分输入的方法,共模信号被扩大,而差模信息加大,使输入输出形成了最大的差模信息和共模信号之间的幅值比(即共模控制比CMRR)。就如此,在带有运放 O3 的输出级差和分放大系统中,在相同共模控制比的情况下,电阻 R3 和 R4,以及射频电阻和 R5 的精度匹配条件大大降低。因而,仪表放大电路就比普通的差分放大电路具备了较好的共模控制功能。+-+-+O1O2O3R1R2R3R4R5RfRgVinVinVout 图 2 仪表放大器典型结构仪表放大器的作用是对电路进行控制和误差校正，但不是输出电路的一部分。因此，三极管 Q1 和 Q2 可以替换为更大功率的三极管，以实现更高的电流输出。此外,还可将仪表放大器的增益设置至 110000 左右的任意增益，不同增益适用于不同的输入电压信号。一般来说，通常,在仪表放大回路的 RG 端通过简单的跨接电阻,就能够达到所需要的增益。图 1 所示电路图中，推挽电路由两个三极管组成，这两个三极管的基级连接到一起，其中 NPN 三极管上拉到+15V，PNP 三极管下拉到-15V。不同输入电压，推挽电路接通不同的三极管，三极管导通后通过输出电阻将电压转换为电流。不同的输入电压结合不同的输出电阻，最终的电流输出值通过这种方式被控制在一定范围内，同时，由于三极管的最大过流属性，外部负载的大小是有限制的。下面对图 1 所示电路原理具体分析：电阻 RG1和 RG2用于配置 U1、U2 的放大倍数，假定将两个仪表放大器的放大倍数分别配置为 A1，A2，则：12211()2OutrefOutOOutOutOVUAVVVVVA+=+=|=|(1)文献 3 中，配置 A1=A2=1，因此：OrefrefOOUTSSVUUVIRR=|=|(2)2 感性负载下仿真分析令该电流源电路驱动感性负载 Rload和 Lload，在 Saber中搭建仿真模型，进行仿真分析。首先对仪表放大器进行选型。AD620 也是一种兼顾成本与精确度的专用放大器,通过设定一个外部电流来调整增益范围,增益范围可设定在 110000。AD620 由传统的三运放架构扩展而来,但由于其供电设计较一般的三运放架构更大,且设计容量也更小,因此耗电量较小(不超过 1.3mA),更适合于低电压低功耗的使用环境。AD620 的单片设计和激光晶体控制,使得集成电路器件密切地配合与追踪,并保持了集成电路内在的高性能。AD620 采用三运放组合的仪表放大单元,可保证增益调节的精确,其进口端的三极管供给单一的差分或双极输入,同时采用 技术可以得到较小的进口偏置电压,并且利用输入级的 OP 放大器的反馈,从而维持了进口三极管的集电极流量不变,同时可以将输入电流加在外部增益的输入电流 RG 上。另外,AD620 也具有良好的通讯功能,非常适合在多路复用的场合中10。在增益为 100 时，AD620 的信号带宽仍能达到 120 kHz。因此，文中选用了高性价比的仪表放大器AD620。本文将外部电阻 RG1、RG2 均设置为开路，配置两个仪表放大器 AD620 的增益为 1。本文拟对-2020mA 电流输出的电流源电路进行分析，选取推挽电路中的三极管 Q1、Q2 时，需考虑通过电流的能力，并有一定余量。电路参数选择如表 1 所示。2.1 稳定性分析绘制出该电路 Bode 图，从图 3 中可以看出在 10，1mH 的负载下，系统幅值裕度约为 14dB，相角裕度约为10，系统是稳定的。表1 电路参数选择元器件编号参数选择U1、U2AD620BNQ12N2222Q22N2904RG1、RG2开路RS250Rload10Lload1mH|119实验研究 2.2 阶跃响应分析给定 Uref在 1ms 时由 0 变为 5V（对应输出应从 0mA 变为 20mA），仿真步长为1s，仿真时长 2ms，系统的阶跃响应如图4 所示。从图中可以看出，系统输出有较大超调（5.27mA），且系统在经过 100s 后重回稳定 20mA。通过对该电路在感性负载下的稳定性分析可以看出，该电路稳定性较好；通过对该电路的阶跃响应分析可以看出，该电路有较大的超调，输出电流设定为20mA的条件下，超调超过了 5mA，即 25%，超调是衡量调节品质的一个量，超调反映的是控制系统在达到稳态前控制作用最差的结果。因此，需要采取措施对电路进行优化校正。图 3 Bode 图 图 4 阶跃响应3 校正措施研究在输出端并联校正电阻 RB与校正电容 CB，如图 5 所示，在不改变电路原稳定性的条件下，调节参数以期获得更强的快速性，消除超调。经过参数整定，当校正电阻 RB为 100，校正电容 CB为 1F 时，系统消除了超调，同时拥有良好的快速性，90s 达到了稳态，如图 6 所示，Iout-1 表示校正之前的输出电流波形，Iout-2 表示校正后的输出电流波形。图 6 校正前后阶跃响应对比4 结语本文分析了一种支持-2020mA 电流输出的高精度电流源的工作原理，结合 Saber 仿真软件，根据该系统具有较强的稳定性但是阶跃响应超调过大的结果，提出一种校正方案。仿真结果表明，校正方案可以消除超调，增强了此高精度电流源的实用性。参考文献 1 李越超,韩冰,孙向平.一种数控高稳定性直流大电流信号源系统 J.电子产品世界,2021.2 何孝起.车载传感器芯片电流源设计 J.科学技术创新,2021(000-020).3 阿布拉江斯地克,米娜瓦尔吾买尔.四种常见恒电流源电路的比较分析 J.喀什大学学报,2022,43(3):5.4 杨启帆,曹琳,雷文龙.基于 TMS570 的数控高精度电流源设+-RefOut+-RefOut-15V+15V+15V-15V+15V-15VRS负载IOUTIOUTO+O-RloadLloadUrefRG1RG2U1U2RBCB图 5 电路校正措施（下转第 64 页）64|电子制作 2023 年 3 月信息工程感器的特性优势，结合不同类型传感器，利用扩展卡尔曼滤波融合算法，实现惯性陀螺仪传感器、速度传感器、高度传感器等运行轨迹数据的融合，采用移动最小二乘法对存在波动运行轨迹曲线进行拟合，然后通过判断分析声光电传感器数据，判定数据是否在有效区间，并确定投掷过程的合理性；通过对比采用融合算法对提升仿真效率的效果进行分析，得到随着投掷次数的增加融合后的投掷效率可达到 18.3%，相比较于未融合算法的提升效率提高 2.1%，利用对姿态的调整，不断的优化达到最佳状态，并且融合数据的稳定性和准确性越高对于姿态调整的效率更高，所以基于多传感器融合的爆破器材投掷在仿真系统中的效果明显。图 8 投掷仿真效率对比分析图参考文献 1 黄婧.基于虚拟现实技术的战斗模拟训练系统 J.光电子技术,2019,39(03):219-224.2 薛昭,杜晓明,裴国旭.军事训练评估研究综述 J.飞航导弹,2017(02):55-59.3 Y.Guo-Qiang,M.Shao-Jie,L.Yu-Ping and Z.Jie-Yong,“Joint Training Simulation Platform Study,”2018 3rd International Conference on Robotics and Automation Engineering(ICRAE),2018,pp.127-130.4 陈玉文.增强现实技术及其在军事装备和模拟训练中的应用研究 J.系统仿真学报,2013,25(S1):258-262.5 魏东,杨斌,赵智姝.借助军民