專利名稱：通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電流恒流源電路，特別是涉及一種由單片機控制可輸出直流電流 的精密微電流恒流源電路，用于星載電場探測中對探測器探針施加恒流偏置的數控恒流源
直O
背景技術：
空間電場是研究空間天氣學和空間環境一個很重要的參量，它的數值大小及其變 化涉及到太陽活動、雷暴活動、地震活動及大氣環境污染等。監測電場、了解空間電狀態，可 以為太陽活動對近地環境的影響、雷暴和地震預警提供直接的資料，提高對災害性天氣的 預報能力，并為航天活動提供空間電環境狀態數據。近20年來，在地面和衛星上探測到了大量與地震相關的電磁異常信號，由于在地 面的觀測受到地域和觀測條件的限制，其觀測結果相對少，觀測結果受噪聲干擾大，有時甚 至被其他信號所掩蓋而難以識別，缺乏有意義的統計結果。因此衛星將是獲取空間電磁資 料并進行地震預測研究的最為有效的工具。國際上目前已發射了以觀測地震和火山噴發過 程中相關的電磁場變化為目的的多顆地震衛星，如COMPASS系列衛星(俄羅斯),QuakeSat 衛星(美國)和DEMETER衛星(法國)等。在空間電場探測中，常采用雙探針測量方法，該方法是向空間伸出兩桿，在各自的 端頭安裝與其有電性絕緣的金屬球或金屬圓柱體作為探針即電場傳感器。當兩探針上的電 位與其各自周圍等離子體的電位一致時，測量出兩探針之間的電位差除以兩探針之間的距 離就得到了沿伸桿方向的電場分量。在該測量方法中，由于探針被周邊等離子體所包圍，會產生等離子體鞘，該等離子 鞘的等效鞘電阻通常比較高，會嚴重影響探測的精度，為了解決這個問題，通常需要給探針 施加納安量級的微弱電流，來能降低該鞘電阻的阻抗，提高測量的精度。而且，給探針施加 恒流偏置，也可以使探針能更好的與其周邊等離子體電位保持一致。因此，壓控精密恒流源 電路是雙探針測量方法中的一項關鍵技術。根據測量需要，對恒流源提出以下要求可以根據單片機的輸出指令，輸出對 應的恒定直流電流；電流的方向可以由控制信號確定；輸出電流最小為士 ΙΟηΑ，最大為 士 1. 28uA，步進為IOnA ；恒流源的輸出負載應為接地負載；應能承受較大的變化的負載電 阻；輸出電流受供電電壓的影響小；電路的規模應小，以方便安裝在探針的有限空間內。由于現有的一些恒流源電路都存在以下問題輸出電流通常最小都在uA量級以 上，而一些專業的可以提供nA量級的專用恒流源電路都存在電路復雜，設備體積龐大的問 題，一些恒流源電路還需要高精度的參考電壓源，恒流源的輸出負載不是接地負載等等。比如，在“一種高精度數控直流電流源的設計與實現”一文中介紹了一種數控恒流 源電路，該電路可以實現20mA-3000mA的可調電流輸出，該電路的特點為需要有高精度的 參考電壓源，對供電電壓的穩定度要求較高，不能實現雙向恒流輸出。在“數控恒流源設計” 中提到了一種恒流源設計，但是該設計輸出電流精度取決于采樣電阻，對于微弱的小電流，需要有高阻值的精密電阻，使得設計難以實現。
發明內容
本發明的目的在于，克服已有恒流源輸出電流大，電路復雜，體積龐大等不能滿足 電場探測需要的問題，從而提供一種由單片機控制的nA量級的恒流輸出，采用了正負兩套 恒流源電路，可以用控制信號來控制負載上的電流方向，實現雙向恒流輸出的通過單片機 控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置。該裝置輸出電流精度與供電電壓無關，不需 要高精度的參考電壓源，降低了電路的復雜度和成本。本發明的目的是這樣實現的本發明提供的通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置(如圖2)， 包括一恒流源控制電路1和正向恒流源電路3 ；其特征在于，還包括負向恒流源電路4、 第一電流方向選擇開關2和第二電流方向選擇開關5 ；其中，所述的恒流源控制電路1的控制電壓輸出端與所述的電流方向選擇開關2 電連接，該恒流源控制電路1的電流方向控制輸出端同時接所述的第一電流方向選擇開關 2和所述的第二電流方向選擇開關5的控制端；所述的第一電流方向選擇開關2的輸出端 S1A與所述的正向恒流源電路3的輸入端相連，所述的第一電流方向選擇開關2的輸出端 S1B與所述的負向恒流源電路4的輸入端相連；所述的正向恒流源電路3的輸出端與所述 的第二電流方向選擇開關5的輸入端S2A電連接，所述的負向恒流源電路4的輸出端與所 述的第二電流方向選擇開關5的輸入端S2B電連接，所述的第二電流方向選擇開關5的輸 出端接負載。在上述的技術方案中，所述的恒流源控制電路1由單片機1-5、數模轉換器1-6、三 個運算放大器以及一個2選1模擬開關1-8組成；其中，所述的單片機1-5與數模轉換器 1-6電連接，所述的數模轉換器1-6與第一運算放大器1-7電連接；第一運算放大器1-7的 輸出端1-1與2選1模擬開關1-8的輸入端電連接，該第一運算放大器1-7的輸出端1-1 與電阻R7的1-4端電連接，所述的第二運算放大器1-9與電阻R7、R8構成反向電路，該第二 運算放大器1-9的輸出端1-2與所述的2選1模擬開關1-8的輸入端S3B電連接；該2選 1模擬開關1-8的輸出端與第三運算放大器1-10的輸入端電連接，所述的第三運算放大器 1-10的輸出端VCC_input與第一電流方向選擇開關2電連接。在上述的技術方案中，所述的單片機1-5的輸出口 1-3 (即圖2中的P1. 0)的輸出 信號輸入到2選1模擬開關1-8的控制端，還同時輸入到第一電流方向選擇開關2和與第 一電流方向選擇開關5的信號控制端。在上述的技術方案中，所述的第一電流方向選擇開關2和第二電流方向選擇開關 5分別為一個2選1模擬開關。在上述的技術方案中，所述的第一電流方向選擇開關2、第二電流方向選擇開關 5、所述的正向恒流源電路3以及所述的負向恒流源電路4共同構成了恒流源電路；其中，所 述的第一電流方向選擇開關2的兩個輸出端(S1A，S2A)分別和所述的正向恒流源電路3、 所述的負向恒流源電路4電連接。在上述的技術方案中，所述的正向恒流源電路3由第一級恒流源3-1和第二級恒
5流源3-2兩部分組成，其中，所述的第一級恒流源電路3-1是由第四運算放大器U3A與N溝 道結型場效應管Q3以及電阻禮構成；其中，第一電流方向選擇開關2的S1A輸出端接第四 運算放大器U3A的同相輸入端，第四運算放大器U3A的負相輸入端同時與電阻禮溝道 結型場效應管Q3的源級電連接；第四運算放大器U3A的輸出端直接接N溝道結型場效應管 Q3的柵極，N溝道結型場效應管Q3漏極與第五運算放大器U3B的同相輸入端和電阻R3電 連接；所述的第二級恒流源電路3-2是由第五運算放大器U3B、P溝道M0S場效應管Q4 與電阻R2、R3構成；第五運算放大器U3B的負相輸入端同時與電阻R2及P溝道M0S場效應 管Q4的源級電連接，第五運算放大器U3B的輸出端直接與P溝道M0S場效應管Q4的柵極 電連接，P溝道M0S場效應管Q4的漏極接第二電流方向選擇開關5的輸入端S2A。在上述的技術方案中，所述的負向恒流源電路4由第一級恒流源4-1和第二級恒 流源4-2兩部分組成，第一級恒流源4-1是由第六運算放大器U4A與P溝道結型場效應管 Q1以及電阻禮構成；第二級恒流源電路4-2是由第七運算放大器U4B、N溝道M0S場效應管 Q2與電阻R5、R6構成；其中，第一電流方向選擇開關2的S1B輸出端接第六運算放大器U3A 的同相輸入端，第六運算放大器U3A的負相輸入端同時與電阻R4及P溝道結型場效應管Q1 的源級電連接；第六運算放大器U4A的輸出端直接接P溝道結型場效應管Q1的柵極，P溝 道結型場效應管Q1漏極與第七運算放大器U4B的同相輸入端和電阻R6電連接；第七運算 放大器U4B的負相輸入端同時與電阻R5及N溝道M0S場效應管Q2的源級電連接，第七運 算放大器U4B的輸出端直接與N溝道M0S場效應管Q2的柵極電連接，N溝道M0S場效應管 Q2的漏極接第二電流方向選擇開關5的輸入端S2B。在上述的技術方案中，所述的第二電流方向選擇開關5的輸出端接負載。本發明相對于已有技術具有的有益效果本發明實現了由單片機控制的nA量級的恒流輸出，輸出電流精度與供電電壓無 關，對供電電壓的穩定度要求不高；不需要高精度的參考電壓源，降低了電路的復雜度和成 本；采用了正負兩套恒流源電路，可以用控制信號來控制負載上的電流方向，實現雙向恒流 輸出；該恒流源分為兩級的方式，使得僅僅使用很常見的精密電阻，即可實現nA級微弱電 路輸出；并且其負載為接地負載，電路規模小，很方便安裝在探針中。其優點如下1.由于采用單片機輸出的控制指令，實現對應的nA量級精密恒流輸出；2.由于采用了兩套恒流源電路，并使用了電流方向選擇開關來選擇電流方向，因 此，電流方向的改變可以很方便的由電流方向控制信號加以控制，實現雙向恒流輸出；3.由于恒流源電路的特別設計，使得輸出電流精度與供電電壓無關，對供電電壓 的穩定度要求不高；不需要高精度的參考電壓源，降低了電路的復雜度和成本；4.設計將恒流源分為兩級的方式，使得僅僅使用很常見的精密電阻，即可實現nA 級微弱電路輸出；5.負載為接地負載，電路可承受較大的負載阻抗變化；6.電路規模小，能很方便的安裝在探針中。
圖1是本發明的通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置組成框圖
圖2是本發明的裝置中恒流源控制電路的電路原理圖
卜恒流源控制電路2一第一電流方向選擇開關
3—2正向第二級恒流源4一l負向第一級恒流源
本實施例的單片機卜5可以使用至少要能輸出9位的數字信號單片機，例如型號為80(3l的單片機。該單片機卜5給出一個8位的數字信號(Po．o—Po．7)，表示了一個電壓值，將Po．o—Po．7信號輸出端口分別與模數轉換器卜6的數字信號輸入端(Do—D7)相連，于是模數轉換器卜6將由單片機卜5送來的數字電壓值轉換為相應的正的模擬電壓信號，經由第一運算放大器卜7的輸出端卜l輸出。第一運算放大器卜7的輸出端卜l接到2選l模擬開關卜8的輸入端S3A，同時與電阻R7的卜4端電連接。第二運算放大器卜9與電阻R，、L構成反向電路，輸出卜2接到2選l模擬開關卜8輸入端S3B。2選l模擬開關卜8的輸出端接到第三運算放大器卜lo的輸入端，第三運算放大器卜lo連接成電壓跟隨電路方式，第三運算放大器卜lo的輸出端VCC—input接電流方向選擇開關2。單片機卜5的輸出口卜3(即圖2中的P1．o)的輸出信號為電流方向控制信號C。NTR。L，該電流方向控制信號信號輸入到2選l模擬開關卜8的控制端，還同時輸入到第一電流方向選擇開關2和與第一電流方向選擇開關5的信號控制端。由于2選l模擬開關卜8的控制引腳上為高電平時，將引腳D3與S3A引腳導通，當該控制引腳上為低電平時，將引腳D3與S3B引腳導通。于是，當電流方向控制信號C。NTR。L為高電平時，輸出的控制電壓VCC—input為正的模擬電壓，使得后續恒流源電路一fjJ-PA輸出正向電流；當C。NTR。L為低電平時，輸出的控制電壓VCC—input為負的模擬電壓，使得后續恒流源電路百J-PA輸出負向電流。
本實施例的第一電流方向選擇開關2和第二電流方向選擇開關5采用市場上購買的2選l模擬開關卜8，但要求漏電流要小于lnA的即可。
恒流源控制電路l的控制電壓輸出端(VCC—input)接到電流方向選擇開關2的信號輸入端，恒流源控制電路l的電流方向控制端C。NTR。L同時接電流方向選擇開關2和電流方向選擇開關5的控制輸入端。于是，可以由所述的電流方向控制控制端C。NTR。L來同時控制電流方向選擇開關2和電流方向選擇開關5的導通方向，實現正向電流通路和負向電流通路的選擇。
本實施例的正向恒流源電路3如圖3中的虛線框3所示，該正向恒流源電路3的組成第四運算放大器U3A、第五運算放大器U3B、N溝道結型場效應管Q3、P溝道M0S場效 應管Q4以及電阻禮，1 2，1 3共同組成了正向恒流源電路3。其中，第四運算放大器U3A、N溝 道結型場效應管Q3和電阻禮構成第一級恒流源3-1，運放的輸出直接接N溝道結型場效 應管Q3的柵極，N溝道結型場效應管Q3的源級接電阻禮，N溝道結型場效應管Q3的漏極 接U3B的正向輸入端和電阻R3上。于是第一級恒流源的電流由輸入電壓與電阻禮來確定，
該電流為A =。第五運算放大器U3B、P溝道M0S場效應管Q4和電阻R2，R3構成
了第二級恒流源3-2。運放的輸出直接接P溝道M0S場效應管Q4的柵極，P溝道M0S場效 應管Q4的漏極接電流方向選擇開關5的輸入端S2A，于是，第二級恒流源的電流可以得到
h=—叩擬。所選用的電阻均應為精密電阻，以保i正電流精度。正
電壓vcc直接與電阻r2，r3連接，以實現輸出正向電流。本實施例的負向恒流源電路4如圖3中的虛線框4所示，該負向恒流源電路4的
組成第六運算放大器U4A、第七運算放大器U4B、P溝道結型場效應管Ql、N溝道M0S場效
應管Q2以及電阻禮，1 5，1 6共同組成了負向恒流源電路4。其中，第六運算放大器U4A、P溝
道結型場效應管Q1和電阻R4構成第一級恒流源4-1，第七運算放大器U4B、N溝道M0S場效
應管Q2和電阻R5，R6構成了第二級恒流源4-2。第六運算放大器U4A的輸出直接接P溝道
結型場效應管Q1的柵極，P溝道結型場效應管Q1的源級接電阻R4，P溝道結型場效應管Q1
的漏極接第七運算放大器U4B的正向輸入端和電阻R6上。于是第一級恒流源的電流由輸入
電壓與電阻R4來確定，該電流為A =~°第七運算放大器U4B、N溝道M0S場效應管
Q2和電阻R5，R6構成了第二級恒流源4-2。第七運算放大器U4B的輸出直接接N溝道M0S 場效應管Q2的柵極，N溝道M0S場效應管Q2的漏極接電流方向選擇開關5的輸入端S2A，
(r
于是，第二級恒流源的電流可以得到/4= -r- *h = —f^- YCCjn/^。所選用的電
VK5 ； \.K4 K5 J
阻均應為精密電阻，以保證電流精度。負電壓VSC直接與電阻&，1 6連接，以實現輸出負向 電流。正向恒流源電路3和負向恒流源電路4的輸出端分別與電流方向選擇開關5的輸 入端電連接，由電流方向控制控制端CONTROL進行控制，來選擇最終的輸出電流是正向電 流還是負向電流；電流方向選擇開關5的輸出端接負載。
權利要求
一種通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置，包括一恒流源控制電路(1)和正向恒流源電路(3)；其特征在于，還包括負向恒流源電路(4)、第一電流方向選擇開關(2)和第二電流方向選擇開關(5)；其中，所述的恒流源控制電路(1)的控制電壓輸出端與所述的電流方向選擇開關(2)電連接，該恒流源控制電路(1)的電流方向控制輸出端同時與所述的第一電流方向選擇開關(2)和所述的第二電流方向選擇開關(5)的控制端電連接；所述的第一電流方向選擇開關(2)的輸出端(S1A)與所述的正向恒流源電路(3)的輸入端電連接，所述的第一電流方向選擇開關(2)的輸出端(S1B)與所述的負向恒流源電路(4)的輸入端電連接；所述的正向恒流源電路(3)的輸出端與所述的第二電流方向選擇開關(5)的輸入端(S2A)電連接，所述的負向恒流源電路(4)的輸出端與所述的第二電流方向選擇開關(5)的輸入端(S2B)電連接；所述的第二電流方向選擇開關(5)的輸出端接負載。
2.按權利要求1所述的通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置，其特 征在于，所述的恒流源控制電路(1)由單片機(1-5)、數模轉換器(1-6)、三個運算放大器以 及一個2選1模擬開關(1-8)組成；其中，所述的單片機(1-5)與數模轉換器(1-6)電連 接，所述的數模轉換器(1-6)與第一運算放大器(1-7)電連接；第一運算放大器(1-7)的輸 出端(1-1)與2選1模擬開關(1-8)的輸入端電連接，該第一運算放大器(1-7)的輸出端 (1-1)與電阻R7的一端(1-4)電連接，所述的第二運算放大器(1-9)與電阻R7、R8構成反 向電路，該第二運算放大器(1-9)的輸出端(1-2)與所述的2選1模擬開關(1-8)的輸入 端(S3B)電連接；該2選1模擬開關(1-8)的輸出端與第三運算放大器(1-10)的輸入端電 連接，所述的第三運算放大器(1-10)的輸出端(VCCjnput)與第一電流方向選擇開關(2) 電連接。
3.按權利要求1所述的通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置，其特 征在于，所述的單片機(1-5)的輸出口(1-3)的輸出信號輸入到2選1模擬開關(1-8)的 控制端，還同時輸入到第一電流方向選擇開關(2)和與第一電流方向選擇開關(5)的信號 控制端。
4.按權利要求1所述的通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置，其特 征在于，所述的第一電流方向選擇開關(2)和第二電流方向選擇開關(5)分別為一個2選 1模擬開關。
5.按權利要求1所述的通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置，其特 征在于，所述的第一電流方向選擇開關(2)、第二電流方向選擇開關(5)、所述的正向恒流 源電路⑶以及所述的負向恒流源電路⑷共同構成了恒流源電路；其中，所述的第一電流 方向選擇開關(2)的兩個輸出端分別和所述的正向恒流源電路(3)、所述的負向恒流源電 路(4)電連接。
6.按權利要求1所述的通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置，其特 征在于，所述的正向恒流源電路(3)由第一級恒流源(3-1)和第二級恒流源(3-2)兩部分 組成，第一級恒流源電路(3-1)是由第四運算放大器(U3A)與N溝道結型場效應管(Q3)以 及電阻R1構成；第二級恒流源電路(3-2)是由第五運算放大器(U3B)、P溝道MOS場效應管 (Q4)與電阻R2、R3構成；其中，第一電流方向選擇開關(2)的輸出端(SlA)接第四運算放大 器(U3A)的同相輸入端，第四運算放大器(U3A)的負相輸入端同時與電阻溝道結型場效應管(Q3)的源級電連接；第四運算放大器(U3A)的輸出端直接接N溝道結型場效應管 (Q3)的柵極，N溝道結型場效應管(Q3)漏極與第五運算放大器(U3B)的同相輸入端和電阻 R3電連接；第五運算放大器(U3B)的負相輸入端同時與電阻溝道MOS場效應管(Q4) 的源級電連接，第五運算放大器(U3B)的輸出端直接與P溝道MOS場效應管(Q4)的柵極電 連接，P溝道MOS場效應管(Q4)的漏極接第二電流方向選擇開關(5)的輸入端(S2A)。
7.按權利要求1所述的通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置，其特 征在于，所述的負向恒流源電路(4)由第一級恒流源(4-1)和第二級恒流源(4-2)兩部分 組成，第一級恒流源(4-1)是由第六運算放大器(U4A)與P溝道結型場效應管(Ql)以及 電阻R4構成；第二級恒流源電路(4-2)是由第七運算放大器(U4B)、N溝道MOS場效應管 (Q2)與電阻R5、R6構成；其中，第一電流方向選擇開關⑵的輸出端(SlB)接第六運算放大 器(U3A)的同相輸入端，第六運算放大器(U3A)的負相輸入端同時與電阻R4及P溝道結型 場效應管(Ql)的源級電連接；第六運算放大器(U4A)的輸出端直接接P溝道結型場效應管 (Ql)的柵極，P溝道結型場效應管(Ql)漏極與第七運算放大器(U4B)的同相輸入端和電阻 R6電連接；第七運算放大器(U4B)的負相輸入端同時與電阻溝道MOS場效應管(Q2) 的源級電連接，第七運算放大器(U4B)的輸出端直接與N溝道MOS場效應管(Q2)的柵極電 連接，N溝道MOS場效應管(Q2)的漏極接第二電流方向選擇開關(5)的輸入端(S2B)。
全文摘要
本發明涉及一種通過單片機控制的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置，包括恒流源控制電路與電流方向選擇開關電連接，該恒流源控制電路輸出的電流方向控制端同時與第一電流方向選擇開關和第二電流方向選擇開關電連接；第一電流方向選擇開關與正向恒流源電路電連接，第一電流方向選擇開關與負向恒流源電路電連接；正向恒流源電路與第二電流方向選擇開關電連接，負向恒流源電路與第二電流方向選擇開關電連接，第二電流方向選擇開關的輸出端接負載。該數控恒流源裝置根據單片機輸出指令，輸出對應的恒定直流電流，其電流最小達nA量級；電流方向由控制信號確定，實現正負方向的恒流輸出，且對負載的阻抗變化承受力強，電路規模小，便于在空間環境中使用。
文檔編號G05B19/042GK101872206SQ200910082660
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月23日 優先權日2009年4月23日
發明者于世強, 劉波, 姜秀杰, 滿峰 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心