一种可PWM 调制的恒流源电路

2023-09-11李贵娇鲁争艳李金宝周蕾

电子制作 2023年15期

李贵娇，鲁争艳，李金宝，周蕾

（中国兵器工业第214所，江苏苏州，215163）

0 引言

PWM 即脉冲宽度调节机制，脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中[1]。在当前许多电路系统中，都会用到恒流源。恒流源是指能够向负载提供稳定电流的电源，是一种宽频谱、高精度的直流稳流信号源，具有响应速度快、恒流精度高、稳定持久、适应各种负载等优点[2]。

恒流源在电子测量、传感器技术、仪器仪表等领域都被广泛应用。在电子测量领域，电流型DAC 将恒流源切换到电阻网络中，恒流源内阻极大，相当于开路，所以能减小电子开关对转换精度的影响，提高电流型DAC 的转换速度和转换精度[3]。在传感器领域，恒流源有着非常广泛的应用。某气体测量传感器由半导体气敏材料制作，采用电桥电路的方式，但是电桥电路的输出与传感器的输出并不成线性关系，所以采用恒流源的方式作为气敏半导体传感器的驱动，具有高线性度的效果[4]。在仪器仪表领域中，恒流源可用于校验高精度电流表。在某些精密测量中，使用恒流源不仅能提高测试精度，增加仪表的使用期限，而且还可以减少反向电流变大造成的被测仪器仪表的损坏[5]。

现有的恒流源技术很少有将恒流源与PWM 调控融为一体的，即使融为一体，成本也是比较高的。目前可PWM 调制的恒流源电路设计一般采用专用的电源芯片或者数字电路来实现，对于高端应用场合还是比较理想的[6]。但对于一些低成本需求的场合，只需要产生恒流源的应用需求，数字化控制芯片需要额外的电源和复杂的隔离方式，电路复杂，成本比较高，无法满足低成本需求场合。因此，本文设计一种结构简单可靠、成本低的可PWM 调制的恒流源电路。

1 原理与设计

可PWM 调制的恒流源电路由三部分组成，具体由幅度调整电路、电压提取电路、恒流输出电路组成，电路原理框图如图1 所示。

图1 可PWM 调制的恒流源电路原理框图

幅度调整电路把频率6kHz、高电平3.3V、低电平0V的PWM 输入信号调整成频率6kHz、高电平10V、低电平-10V 的矩形波信号。电压提取电路对频率6kHz、高电平10V、低电平-10V 的矩形波信号进行低通滤波，得到与频率6kHz、高电平10V、低电平-10V 的矩形波信号占空比成正比的直流电压信号。恒流输出电路把直流电压信号通过差分电路转换成恒定的直流电流信号。下面具体介绍各部分电路的设计过程。

■1.1 幅度调整电路

幅度调整电路原理图如图2 所示。

图2 幅度调整电路原理图

由模拟开关ADG433 和外围阻容组成幅度调整电路。ADG433 是一款单芯片CMOS 器件，内置四个独立可选的开关。它采用增强型LCMOS 工艺设计，具有低功耗、高开关速度和低导通电阻特性。ADG433 有两个开关的接通条件是相关控制输入为逻辑高电平，而其他两个开关的控制逻辑则相反。接通时，各开关在两个方向的导电性能相同，输入信号范围可扩展至电源电压范围。所有开关均为先开后合式，适合多路复用器应用。设计本身具有低电荷注入特性，当开关数字输入时，可实现较小的瞬变[7]。

ADG433 的最大额定电源电压为44V，模拟信号范围为-15V ～15V，导通电阻为24Ω，功耗小于3.9μW，TTL/CMOS 兼容型输入，开关时间很快，接通时间小于165ns，断开时间小于130ns，采用16 引脚DIP 和SOIC 封装，可替代ADG411/ADG412/ADG413 等型号产品[8]。

输入PWM 波形频率6kHz、高电平3.3V、低电平0V。当输入PWM 信号为0V 时，模拟开关的D1、S1 断开，D2、S2 接通，输出信号PWM_OUT 为10V。当输入PWM信号为3.3V 时，模拟开关的D1、S1 接通，D2、S2 断开，输出信号PWM_OUT 为-10V。输入PWM 信号和输出PWM_OUT 信号波形图如图3 所示。

图3 PWM 输入输出信号

■1.2 电压提取电路

电压提取电路原理图如图4 所示。电压提取电路由电压跟随器、VCVS(压控电压源)低通滤波器、分压电路组成。其中，电压跟随器、VCVS(压控电压源)低通滤波器由双路运算放大器TL082 实现。

图4 电压提取电路原理图

双路运算放大器TL082 是一款以JFET 为前置放大器的集成运算放大器，因此具有很高的输入阻抗和高达13V/μs 的压摆率以及很低的总谐波失真。另外，双路运算放大器TL082 还具有低功耗，宽共模和差分电压范围，输出短路保护等优良特性，因而得到广泛的应用。双路运算放大器TL082 采用8 引脚封装工艺[9]。

双路运算放大器TL082 最大工作电压36V，最小工作电压7V。双路运算放大器TL082 典型带宽为3MHz，输入失调电压最大为6mV，失调漂移为18μV/℃，输入偏置电流最大为200pA。双路运算放大器TL082 共模抑制比最小为75dB，典型噪声电压为18μV[10]。

双路运算放大器TL082 的一路用作电压跟随器，用于调节信号的输入输出阻抗。双路运算放大器TL082 的另一路用作VCVS(压控电压源)低通滤波器，由片式电阻R1、片式电阻R2、片式电容C1、片式电容C2 组成二阶低通滤波器。

VCVS(压控电压源)低通滤波器的截止频率、带外倍频程抑制、带内不平坦度是电路的关键参数，且要求较高。针对截止频率、带外倍频程抑制、带内不平坦度等指标，将低通滤波器设计成过渡带窄的切比雪夫型滤波器，这样可以获得良好的带外抑制特性和较为精确的截止频率。为了满足带外倍频程抑制、带内不平坦度的要求，将VCVS(压控电压源)低通滤波器设计成二阶低通滤波器。同时，为了满足小体积集成需要，电路设计时从简化电路结构和便于调试两方面考虑，选择元器件较少的VCVS(压控电压源)型二阶低通滤波器实现低通滤波单元设计。VCVS(压控电压源)型二阶低通滤波器的特点是选择性好，带外衰减陡峭，弱点是带内有波动。通过归一化方法合理选择参数，可以将波动控制在很小的范围内[11]。

低通截止频率计算公式：

当R1=R2=20kΩ，C1=C2=1nF 时，计算得到fc=800Hz。

可见，VCVS(压控电压源)型二阶低通滤波器的截止频率为800Hz。因而，输入频率6kHz、高电平3.3V、低电平0V 的PWM 信号时，频率6kHz、高电平3.3V、低电平0V的高频信号被完全滤除，仅输出与占空比成正比的直流电压信号。通过改变占空比（0-100%）调节直流电压大小，占空比越高直流电压越大。

VCVS( 压控电压源)型二阶低通滤波器在模拟实验过程中，发现其并不能满足该VCVS 型二阶低通滤波器截止频率、带内波动的技术性能要求，因而需要对该参数进行调试。对VCVS 型二阶低通滤波器进行调试，主要是对VCVS 型二阶低通滤波器的增益和截止频率进行调试。一般先对VCVS 型二阶低通滤波器的增益进行调试，后对VCVS 型二阶低通滤波器的截止频率进行调试。对VCVS 型二阶低通滤波器增益的调试规律为：增大VCVS 型二阶低通滤波器的增益可通过增大片式电阻R1、片式电阻R2 实现，减小VCVS 型二阶低通滤波器增益可通过减小片式电阻R1、片式电阻R2 实现。对VCVS 型二阶低通滤波器截止频率的调试规律为：增大VCVS 型二阶低通滤波器截止频率可通过减小片式电阻R1、片式电阻R2实现，减小VCVS 型二阶低通滤波器截止频率可通过增大片式电阻R1、片式电阻R2 实现。

分压电路由片式电阻R3、片式电阻R4、片式电容C3组成，由片式电阻R3、片式电阻R4 的阻值决定分压后输出电压大小。当R3=R4=30kΩ，输出电压V(FY_OUT)=V(LPF_OUT)*R4/(R3+R4)= V(LPF_OUT)/2。也就是说，分压电路把输入电压V(LPF_OUT)减小一半后得到输出电压V(FY_OUT)，达到信号衰减的效果，以利于后续电路的处理。

■1.3 恒流输出电路

可PWM 调制的恒流输出电路原理图如图5 所示。恒流输出电路由电压跟随器、推挽输出电路、减法器三部分组成。其中，电压跟随器和减法器由双路运算放大器TL082 实现。

图5 恒流输出电路原理图

减法器由双路运算放大器TL082（代号N5B）和片式电阻R11、片式电阻R12、片式电阻R13、片式电阻R14 组成差分放大器，其中，片式电阻R11、片式电阻R12、片式电阻R13、片式电阻R14 需要采用精度为0.1%的高精度电阻，输入输出关系如下所示：

VP=V1*R13/(R11+R13)

(V2-VP)/R12=(VP-VO)/R14

因R11=R12，R13=R14，故VO=(R13/R11)(V1-V2)。

当R11=200kΩ，R13=470kΩ时，VO=2.35(V1-V2)。

可见，减法器主要实现对电压V1 和V2 的差放大2.35倍的功能。

当输入PWM 占空比100%时，V(FY_OUT)=4.58V。

VO= V(FY_OUT)=4.58V，V1-V2= VO/2.35=1.95V。

当R10=39Ω时，IO=(V1-V2)/ R10=1.95V/39Ω=50mA。

当输入PWM 占空比0%时，V(FY_OUT)=-4.58V。

VO= V(FY_OUT)=-4.58V，V1-V2= VO/2.35=-1.95V。

当R10=39Ω 时，IO=(V1-V2)/ R10=-1.95V/39Ω=-50mA。

可见，可PWM 调制的恒流源电路通过调节PWM 占空比对输出电流大小进行调节，电流输出范围为-50mA ～50mA。当输入PWM 占空比0%时，输出电流-50mA；当输入PWM占空比100%时，输出电流50mA。

2 实验

对可PWM 调制的恒流源电路输入不同占空比的PWM信号，使可PWM 调制的恒流源电路输出不同大小的电流，然后计算可PWM 调制的恒流源电路的电流输出精度，其结果如表1 所示。

表1 可PWM调制的恒流源电路电流输出精度计算表

占空比20%指的是输入20%占空比的PWM 信号时恒流源输出的电流大小，符号为I1，单位为mA。占空比50%指的是输入50%占空比的PWM 信号时恒流源输出的电流大小，符号为I2，单位为mA。占空比80%指的是输入80%占空比的PWM 信号时恒流源输出的电流大小，符号为I3，单位为mA。电流输出精度指的是占空比20%输出电流精度和占空比80%输出电流精度的较大值，符号为E，单位为mA。

从表1 可以看出，可PWM 调制的恒流源电路输出电流精度优于±0.4mA，达到了较高的精度，可以满足大部分场合对恒流源精度的要求。