一种频率可调的程控精密恒流源设计

刘博隽，孙 彪，张 甫，唐 求，张建文

(1.湖南师范大学物理与信息科学学院，湖南 长沙 410006;2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082;3.国网新疆电力公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引 言

近年来，利用生物组织的电特性及其通电后组织的变化规律，获取生物组织信息的生物电阻抗谱测量展示了诱人的应用前景，越来越受到重视。

向待测生物体注入微小的交变电流或电压信号，检测生物组织相应的电阻抗及其变化情况，可获取所需要的生物组织信息[1]，实现水分、嫩度、新鲜度、病变等检测。现阶段的生物电阻抗测量技术主要有电桥法、二电极法、四电极法，对于目前绝大多数进行生物电阻抗测量的四电极法，其测量系统主要由激励源模块、调制解调模块、电极系统以及控制单元等部分组成[2]。其中，激励源为整个系统提供了通入待测生物组织的激励电流或电压，是整个测量系统的基础，其信号质量是影响生物电阻抗测量性能的重要因素[3]。

在生物电阻抗检测系统中，为减少电极与被测试样接触电阻的影响，普遍使用交变恒流源作为激励源[4]。电阻抗谱测量需要得到多种频率下生物组织电压及电流的变化关系，具有比单频测量更丰富、更准确的观察信息[5]。基于电阻抗测量的肉类水分快速测定仪和基于电阻抗谱测量的注水肉检测方法，就是依据多频率激励下的被测试样导电性能确定水分含量和注水情况。文献[3-4]利用DDS生成多频信号，但功耗较大；文献[5]利用函数发生器等仪器研究肉类导电性能，为原理实验研究。上述研究方法虽不宜作为电池供电的便携式仪器使用，但为本文提供了多频率信号测量的借鉴思路。

本文根据便携式肉类水分快速测定仪需求，设制了一种低功耗、能够实现频率调节的程控精密恒流源，低频信号用于观测被测试样细胞外液的导电性能，较高频率信号则观测细胞外液、内液和细胞膜共同贡献的导电性能。试验证明，该恒流源具有稳定性高、输出阻抗大、调节便捷等优点。

1 频率可调的程控恒流源的构成

1.1 程控恒流源的结构设计

注水肉快速测量要得到多种频率下待测肉品电压与电流之间的关系，频率可调为该恒流源的基本要求。程控恒流源系统分为信号产生电路和电压电流转换电路两部分。单片机控制信号产生电路中的电阻阻值，实现对恒流源输出信号的频率调节。图1即为该程控恒流源系统整体结构。通过键盘对单片机输入指令，控制模拟开关的导通情况，改变信号产生电路中数字电位器阻值以及接入电容的电容值大小，进而改变信号产生电路的输出信号频率。将信号产生电路输出的正弦信号作为电压电流转换电路的输入信号并通入其中，即可实现固定频率的正弦电压信号到同频率的正弦电流信号的转换[6]。将信号产生电路以及电压电流转换电路二者的输出信号经过信号调理反馈至单片机，最终将输出结果显示在显示器上。

图1 程控恒流源系统结构设计

1.2 程控恒流源系统原理图设计

程控恒流源电路由正弦信号发生器与压控精密恒流源两部分构成，电路如图2所示。由运放A1、构成的信号发生电路由于自激振荡，于A2输出端输出正弦波，调节电容C1、C2以及电位器P1的阻值，可以改变信号发生电路的输出信号频率。信号发生电路的输出信号作为电压电流转换电路的输入信号，正弦波经过基于Howland电流泵的改进型电路进行电压电流转换，输出具有高输出阻抗的正弦恒流源信号。

图2 程控精密恒流源电路图

2 恒流源电路设计

2.1 正弦信号发生器电路设计

信号发生器需要频率控制电路。本文设计的信号发生器选用单T选频网络。

2.1.1 单T型选频网络

单T型选频网络电路结构如图3(a)所示，它由一个定值电阻与一个T型网络高通滤波器并联构成。利用星形电路同三角形电路转换的原理，可以将单T选频网络化简为图3(b)所示的等效电路[7]。

图3 单T选频网络原理图

从图3(b)中，可以得到Z1为

由此得到单T选频网络的幅频特性：

单T选频网络的相频特性为

2.1.2 单T型选频网络正弦信号发生器

单T型选频网络正弦信号发生器电路图如图4所示。采用TI公司的极低失真、低噪声高速运放OPA134作为主振运放A1，其带宽8 MHz，压摆率20 V/μs。单T选频网络接在A1的负反馈回路中，反馈信号与输入信号存在相位差π，且由于A1为非理想放大器，开环增益并非无穷大，电路无法满足自激振荡A·F=1及φA+φF=2nπ的振荡条件。因此，需要在电路中加入正反馈以满足振荡条件。

图4 单T型选频网络正弦信号发生器

图4中，除主振运放A1外，设置有电压比较器A2。A2采用TI公司的高速、具有选通的差动比较器LM311。A2同相端电位为0，反相端接正弦信号比较器A2输 出信号为频率与正弦信号U0相同的方波，该方波经过R6、R7、P2产生电平位移以及齐纳二极管D1稳幅后，反馈到单T型选频网络中，实现自激振荡。图4中的电路采用外激调谐方法实现正反馈，不影响电路的增益或带宽，因此输出信号幅值与电路振荡频率不产生相互影响。

为保证电路起振，电容C3、电阻R4的取值应使A2达到饱和，工作在非线性区，即使A2表现为过零比较器，产生方波谐振。

调节单T选频网络电容与电位器参数，可以改变输出信号的频率；与此同时，通过电位器P2，可以调节信号发生器输出的信号幅值。但P2的阻值不宜过低，否则将出现因闭环增益过高而导致输出信号失真。反复实践表明，P2阻值保持在最大值的60%～98%为宜。

图4中各元件参数分别为R1=100 kΩ、R2=200 Ω、R3=20 kΩ 、R4=22 kΩ、R5=R6=10 MΩ、R7=1 kΩ、P1=2 kΩ、P2=1 kΩ、C1=C2=C、C3=350 nF、C4=10 nF。改变C的容值可以实现对正弦信号发生器输出频率的量程改变，改变P1阻值可实现该量程内的频率微调。在C由20 nF逐渐调至40 pF过程中，正弦信号发生器输出频率由0.5 kHz调节至522 kHz。

在Multisim 10仿真环境下，对图4所示电路进行仿真测试，运放A1、A2均使用±5 V双电源供电，当C=40pF时，输出信号频率为500 kHz，有效值为1 V，输出信号波形图如图5所示，与理论计算非常接近，信号质量理想。

图5 频率500 kHz有效值1 V的正弦信号发生器输出波形

2.2 压控精密恒流源电路设计

2.2.1 电压电流转换电路设计

本文设计的基于改进型Howland电流泵的电压电流转换电路，如图6所示。相比原Howland电流泵，该电压电流转换电路于运放A3的负反馈回路中加入了由同型运放A4构成的电压跟随器，以减少运放A3负反馈回路中的电流消耗，提高电路的输出阻抗。

图6 电压电流转换电路图

图中电压电流转换电路中的运放A1、A2均选用TI公司的极低噪声、高速运放OPA725，其带宽20 MHz，压摆率30 V/μs[8]。电阻R8～R12为增益调节电阻，均可由一个固定电阻与一个电位器串联构成。电容C5用来防止在两条反馈回路中出现大容性负载时产生振荡[9-10]。电容C2为 滤波电容，Rload为负载电阻。

2.2.2 电压电流转换原理

图6所示电压电流转换电路的交流小信号等效电路如图7所示。其中，V−与V+分 别为运放A3反向、同向输入端的电压，Vx为A3的 输出电压，Vout为恒流源电路的输出电压。

图7 电压电流转换电路小信号等效电路

若A3、A4工作在线性区，输出电流为Igen，则有：

联立式 (6)～(8)得

Vout结点的KCL方程为

将式(10)式代入式(9)有：

选择合适的外围电阻阻值，使

则式(11)可表示为

取R8=R9，则式(13)可进一步简化为

即电压电流转换电路的输出电流完全由输入信号U0与 电阻R12所决定。

2.2.3 电压电流转换的电路元件参数设置

Howland电流泵中，只有参数达到阻抗匹配才能正常工作，但并不是任意的阻抗匹配都能够达到较好的效果[10]。本文设计的电压电流转换电路调试过程发现，即使达到阻抗匹配，不同的电阻值也会产生不同的恒流特性。经反复调试，在多组数据中选择出了恒流特性相对较优的参数值：R8=R9=R10=5 kΩ，R11=R12=2.5 kΩ，C5=10 pF，C6=1 nF，电源为±5 V双电源供电。

3 程控精密恒流源的仿真实验研究

电路设计后，进行了大量的仿真实验研究，以获得优化的参数配置，在仿真实验验证电路良好性能的基础上进一步完成电路调试、定型。

将图2所示精密程控恒流电路在Multisim 10.0环境进行仿真实验，通过改变电路的C并调节P1、P2，使信号发生器输出幅值为1 V的不同频率正弦信号。表1、表2分别为输出频率固定、负载电阻变化的恒流源输出电流仿真实验结果；表3为负载电阻取不同固定值、输出信号频率变化时的恒流源输出电流仿真实验结果。

表1 频率为200 kHz时电流随负载的变化关系

由表1、表2可见，当信号发生器输出频率为200 kHz、负载从0到2.5 kΩ变化时，输出电流从392.612 μA 变化到 391.277 μA，变化量仅为 0.34%；当信号发生器输出频率为500 kHz、负载从0到1.2 kΩ时，输出电流从388.981 μA变化到386.005 μA，变化量仅为0.77%。

表2 频率为500 kHz时电流随负载的变化关系

表3 不同负载电阻下电流随频率的变化关系

由表3可见，对于100 Ω的负载，信号发生器输出频率从100 kHz变化到500 kHz，输出电流由393.127 μA 变化到 388.792 μA，变化率为 1.10%；对于1 kΩ的负载，信号发生器输出频率从100 kHz变化到 500 kHz，输出电流由 393.043 μA变化到386.609 μA，变化率为 1.63%。

仿真实验表明，保持信号发生器输出频率不变、改变负载大小或是保持负载不变、改变信号发生器输出频率，输出电流的变化率均保持在较低水平，意味着当负载变化较大时输出电流能够保持在较高的稳定状态。在仿真实验成功基础上试制的频率可调程控精密恒流源，已应用于肉类水分快速测定仪、注水肉快速测量仪。仪器测试效果良好，通过了国家计量部门检测，图8为采用了本文设计恒流源的RSY-2肉类水分快速测定仪。

4 结束语

以交变电流作为激励源，用电压测量的方案进行生物电阻抗测量，已在医学电阻抗断层成像（EIT）以及生物电阻抗分析（BIA）中广泛应用[11-12]。基于生物电阻抗分析的肉类水分快速测定、注水肉快速测量，激励源的性能对测量精度、稳定性有着直接影响。本文设计的基于Howland电流泵改进型频率可调程控精密恒流源采用单T型选频网络正弦波振荡器，频率调节快速方便，输出信号稳定且幅值可调、输出阻抗大、负载能力强、输出电流稳定，功耗低、体积小，便于便携式仪器采用，实际应用证明了其优良性能。

图8 RSY-2肉类水分快速测定仪