数控低温电流比较仪精密电流源设计

范文斌　鲁云峰　李小亭

摘 要 本文设计了一种数控精密电流源，由DSP作为核心控制芯片，可以输出两路可调比例电流，其比例输出电流具有较高控制精度和稳定性。该低温电流比较仪用于测量1Ω-10KΩ的电阻，其中的比例误差，具有相对稳定，相对重复的特点。

【关键词】低温电流比较仪 DSP 精密电流源

20世纪以来，随着量子物理学不断发展，科学家们逐渐找到了一种使用量子基准计算和保存电阻单位的方法——量子化霍尔电阻。日常工作中人们习惯使用以十进制为主的电阻基准，但霍尔电阻是非整数值，其需要使用特殊的方法才能与通常的十进制电阻进行比较。而低温电流比较仪（Cryogenic Current Comparator，简称CCC）巧妙地应用了超低温环境下的迈斯纳效应和超导量子干涉器件SQUID，则成为了传递量子化霍尔电阻量值的理想工具。

本文针对低温电流比较仪电阻比较电桥设计了一种精密电流源，其实现了具有两路可调比例电流源输出的功能，可用于电阻精密测量的低温电流比较仪电阻电桥控制系统。该电流源具有高控制精度，低噪声，高稳定性等特点，有利于实现数字化控制。

1 低温电流比较仪

1972年Harvey首先提出了低温电流比较仪原理，其与现在已经比较熟知的磁调制器式电流比较仪相当接近。低温电流比较仪所使用的是利用电桥的安匝数平衡，即把待比较的两路电流和分别通人同一铁心上的两个绕组和中，当安匝数达到平衡时有：

I1W1+I2W2=0 （1）

用非常灵敏的检测手段来准确检测安匝数平衡条件式（1），即可得到电流比例：

I1/I2=-W1/W2 （2）

匝数是个无误差的数值，所以在原理上电流比较仪可以得到极为准确的电流比例。但是实际上式（1）并不能完全得到满足，因为低温电流比较仪的准确度受到一系列因素的限制。所以式（1）应表示为：

I1W1+I2W2+Δ=0 （3）

其中Δ表示安匝数的不平，此不平衡量为标为L的线圈检测到后送入SQUID的输入线圈Li，并耦合到SQUID，最后输出电信号进行反馈，即通过磁通一电压一电流转换器将不平衡磁通信号转换为电流信号反馈给其中一个线圈，最终达到安匝平衡式（3）。

2 程控低温电流比较仪中可调精密电流源设计的基本结构

2.1 程控低温电流比较仪电流源总体方案设计

根据低温电流比较仪的原理，结合具体的低温电流比较仪电阻电桥电路程控低温电流比较仪电流源由三部分组成：上位机控制程序、DSP数字控制电路和电流源电路。由Lab VIEW编写的上位机控制程序通过串口向DSP数字控制电路发送指令，DSP数字控制电路接收到上位机指令后，对数据处理后转化为相应的控制信号。通过模数转换器AD可以把两路电流源的微差反馈到DSP上，构成闭环控制系统，保证了电流源输出的比例电流具有较好的稳定性和精度。

2.2 电流源电路设计

电流源采用10V电压参考芯片REF102作为电流源的参考电压，其具有稳定性为5ppm/1000hr。但在实际电路设计中对SQUID的超导屏蔽并不完全密封，感应出超导电流会耦合到检测线圈上形成干扰信号。而在超导体中超导电流是不会衰减，与其相应的磁通也不会衰减（冻结磁通）。为了消除冻结磁通对电阻测量过程的干扰，采用单位增益差分放大器INA105对参考电压进行反向，用继电器间歇导通其中一路，从而改变比例线圈中的电流的方向，并把两种方向相应的测量结果平均，消除直流干扰的作用，同时正负换向也可以消除测量回路中热电势的影响。

主从电流源电路不能完全对称，工作电流在正负换向时会使检测线圈电流在短时间过大造成SQUID的工作点的稳定平衡点发生变化。为减小换向过程中的冲击，采用一种组合积分电路使电流源缓慢变向，其电路示意图中的第一个OPA277集成放大器用作缓冲器，第二个OPA277则为积分放大器。积分时间常数由R6 C2决定，开关K1，K2由继电器组成的多路选择开关，分别用于选择参考电压和设置用于调节换向时间的积分电阻。参考电压通过缓慢变向电路后，其输出电压Vref可以提供给主从动电流源DA作为参考电压。

采用两个相同的DA分别作为其主从电流源电压源，DA选用16位串行DA转换芯片DAC8811，其参考电压范围为±10V。DA输出电压VIN经过电压—电流转换得到主从动电流源和，其中开关K1由继电器组成，R8、R9为采样电阻。由于两个电流源共用一个的基准电压，因此在主从动电流源DA输出后分别设计两个高输入阻抗的跟随器OPA121进行隔离。

SQUID器件的线性范围非常小，输入稍大即可引起电流跳跃而导致测量过程的不稳定。因此电压电流转换之前采用偏置DA，其选用16位串行DA转换芯片DAC8832，其输出范围为±VREF。通过配置偏置DA，其输出V bias可微调主动电流源输出，使主从动电流源的输出即使没有SQUID的反馈也接近平衡状态。

由上文可知，在实际的测量中，被比较的电阻R1和R2的量值都并不正好等于其名义值，而比较电桥电路的安匝数平衡方程式（1）中的W1和W2都是正整数，进行比较的目的也是为了求出被比较的两个电阻的调整误差的差值。在有误差的情况下，即使安匝数平衡方程式（1）已被满足，测量电阻两端电压之差的指零仪也并不指零。为了使电桥能同时满足安匝数平衡和指零仪指零两个条件，需要进行读数补偿。其方法是采用DAC8832，使其输出一路电流，仔细调节电流大小，使其通过低温电流比较仪的另一个绕组，此时安匝数平衡方程式（1）就变成了

I1W1+I2W2+I3W3=0 （4）

这样，就能使电桥能同时满足安匝数平衡和指零仪指零两个条件，从而求出被比较的两个电阻的比值。

2.3 数字控制电路

文中电流源电路中DA和继电器均需要控制信号来驱动，而DSP 具有强大的信号运算和处理能力，可以实现一些先进的控制理论和高效的控制算法。所以选择DSPTMS320F2812 作为控制芯片，对采样信号进行分析处理，来产生控制信号。数字控制电路示意图主要包括五部分：

（1）数字控制电路核心控制芯片DSP，外部SCI串口通信电路与DSP相连。DSP根据上位机指令执行相应的控制算法和数据处理。

（2）AD模数转换模块：AD选用16位的AD7656，用于接收前馈值，测量主从电流源电压差。

（3）LCD 12864液晶模块：用于显示四个DA的设定电压值和AD采集的前反馈电压值。

（4）FPGA模块：选用Altera公司的FPGA EP2C8Q208C8，为DSP做IO扩展，用来实现继电器转换的功能。

（5）光纤模块：本系统使用Agilent光发送器HFBR-1531，光接收器HFBR-2531组成的光纤模块进行模数隔离，避免模拟部分和数字部分信号间的相互干扰。

2.4 软件流程

上位机控制程序用于向数字控制电路的DSP发送命令，配置DA输出电压和选择电流源电路中继电器的状态，其由Lab VIEW编写。控制程序和仪器总线的通信可由VISA模块实现，用RS232通讯接口用于计算机PC和数字控制芯片DSP进行通讯。

根据上文所述硬件电路设计要求，DSP需要执行的数字控制程序模块包括：DA配置程序模块，用于配置主从动电流源DA、偏置DA和补偿DA；继电器控制程序模块，用于手/自换向控制、前馈选择控制、换向积分电阻的选择控制、主/从动电流源采样电阻选择控制以及SQUID电流反馈电阻选择控制；前馈的AD数据采集程序模块；液晶（LCD）显示程序模块。

3 实验结果

使用Fluke公司的8508A对电流源系统进行测量和标定，主从动电流输出电流范围为：±100mA，偏置DA的调节范围为：±20mV。多次配置主从电流源测量其输出电压，其相对稳定性；相对重复性。

将电流源设置为前馈状态，根据不同比例的十进制电阻配置主从动电流源输出电流，测量电阻R1和R2的电压，并用指零仪测量其的电压差。

4 结束语

本文介绍了一种用于低温电流比较仪的数控电流源设计，采用两路16位DA电流源输出，通过配置偏置DA和设定继电器状态的方法实现高精度比例电流输出。实现了系统的模块化和小型化，并具有控制精确、工作可靠稳定、效率高等优点，实验证明该电流比例误差，相对稳定性，相对重复性，可以实现对1Ω-10KΩ电阻的测量。

参考文献

[1]K.v.Klitzing，G.Dorda and M.Pepper， New method for high-accuracy determination of the fine-structure constant based on Quantized Hall Resistance，Phys.Rev.Lett. 45（1980）494-497.

[2]Harvey，I.k.Precise low temperature DC ratio transformer，Rev.Sci.Instrum43.（1972），1626-1629.

[3]李正坤，贺青，张钟华，刘勇.提高低温电流比较仪测量准确度的几方面措施[J].计量学报，2004，25（4）：289-192.

[4]Jones K.A Quantum Hall Cryogenic Current Comparator Resistance Bridge.CPEM Digest.2000：92-93.

[5]张钟华，贺青，刘勇.量子化霍尔电阻基准研究报告[R].北京：中国计量科学研究院，2004：39-40.

作者简介

范文斌（1989-），男，河北省石家庄市人。现为河北大学攻读硕士，主要从事低温电流比较仪研究。

作者单位

河北大学 河北省保定市 071000