一种可调恒流源的调理测量方法

罗岚芮， 范承宇， 孙广明

（中国兵器装备集团自动化研究所， 四川 绵阳 621000）

0 引言

恒流源是一个常见的电子元器件， 它能够为电路提供一个稳定的电流，但电流在电路中通过时，会因为电路中的容抗阻抗等因素会导致在输出端口采集到的电流与恒流源输入的电流的值有误差。 在如今，科技高速发展，各种仪器，电路对于电流的精度有着较高的要求，本文中的方法便是能通过硬件和软件相结合的方式对电流进行调理和校准， 在一定程度的消除采集的电流与输入电流的误差，从而提高电流的精度。

1 总体设计

1.1 结构设计

恒流源的电流调理检测一共分为四个部分， 第一个部分是电流与电压之间的转换， 将可调恒流源输入的电流通过电阻转换为电压，然后输入到电路中；第二个部分是硬件部分，通过运放电路对收到的电压进行的调理，并消除其偏置电压；第三部分为AD 采集，采集经过运放电校验后的电压。 第四部分为软件部分，将经过AD 采集后的电压输入给单片机，通过软件对电压进行校准后，最后与负载电阻相除得到高精度的电流。 其流程框图见图1。

1.2 重点

本文采集电流的方案主要的部分是软件和硬件部分，经过软件和硬件配合调理校准后，能够基本消除通过电路时导致的误差，最后采集到的电流与恒流源输出的电流误差在千分之一左右。

图1 基本流程图

2 电流电压转换

在电流采集中，单片机不能直接采集电流，需要先将电流转换为电压后，再由AD 采集后输入到单片机。 因此需要将电流通过一个负载电阻， 把电流转换为电压后再输入电路中。 本文中测试的恒流源的电流范围为0～100mA。 负载电阻的值为50Ω，将恒流源的电流转换为范围为0～5V 的电压输入到运放电路中。

3 硬件部分

3.1 概述

电流采集的硬件部分由运放电路组成。 运放电路对于输入的电压的调理主要有两个方面， 第一是消除电路中的零点漂移，第二是通过调整放大系数，初步校准电压的精度。 这两个步骤都是通过运算放大电路实现。

3.2 零点漂移

在运算放大电路中， 当电路的输入电压为0V 时，受温度变化、电路中电源电压不稳定等因素的影响，是静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏置原固定值而上下漂动的现象， 它又被称为零点漂移。在使用运算放大电路时，不可避免的会出现零点漂移，对输出电压造成影响，漂移电压大小可以和有效信号电压相比时，是很难在输出端分辨出有效信号的电压，在漂移现象严重的情况下，往往会使有效信号“淹没”，使放大电路不能正常工作。 运放电路的输入端设置一个偏置电压，来抵消电路的零点漂移电压，消除零点漂移带来的误差[1]。

3.3 系数修正

在消除零点漂移后，电压在经过放大电路放大后，输出的实际电压会与预计电压有误差。 通过改变运算放大电路的放大增益，对电压进行初步校验，使输出的实际电压与预计的电压的值的误差在千分之五左右。 可以通过改变电阻的大小，来实现不同的放大增益。

3.4 运放电路设计

先对通过电路的电压进行测量， 得到实际的电压值（mV）与标准的电压值（mV）的关系图如图2 所示。测电流的范围为0-100mA， 通过负载电阻后电压的范围为0～5V，通过改变恒流源的输出，根据其通过电路输出的值，作以标准电压（mV）为横轴，实际电压（mV）为纵轴的散点图，计算出一条过零点的直线，使各散点都趋近于这条直线y=ax+b，b 为设置的抵消零点漂移的电压，a 为实际电压与标准电压的系数，根据公式，调整运放电路中各个电阻的值，使电压在通过放大电路后与预计值相符合。

图2 实际电压与标准电压关系图

本文中电压校准的运放电路所用的运放放大器芯片是ADTL082。 消除零点漂移的电压基准的型号是LT1460。电路中所用电阻皆是高精度电阻。根据上述电压电流图，设计放大电路，消除零漂和校准电压。 最后搭成的运放电路图如图3 所示。

图3 运算放大电路原理图

4 电压采集

经过运算放大电路校验后的电压需要经过AD 采集后再输入单片机由软件进行校准。 本文中使用的AD 采集芯片型号为ADS8685，单片机芯片型号为GD32F207。

5 软件部分

5.1 概述

经过运算放大电路初步校准后的电压， 解决了电路中零点漂移的问题，但是在电压的精度上，还能够有所提高。 通过AD 采集后输入到单片机中，通过软件对于电压进一步进行更加精密的校准。 使最终采集的电流精度进一步提高。

5.2 软件设计

软件部分是对经过初步校验后的电压进行更精密的校准。 将输入进来的0～5V 的电压根据电压的值，均等分为5 段，每段的电压量程为1V，恒流源的步径为5mA。通过软件对每段的电压的值进行数据分析，把理论的电压值与单片机收到的实际电压值相除，得出两个电压的比例系数。 每段电压都会获得该段电压的系数，把每一段的电压分别乘上各段电压的系数，最后整合起来得到校准后的电压， 得到的电压符合精度要求。 软件的流程框图如图4。

图4 软件设计流程框图

6 总结

经过运放电路和软件的共同调理校准， 输出电流范围为0～100mA 步径为5mA 的恒流源，最终测试的电流值的误差能够小于千分之一。 符合实验的预期。