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1、重庆大学生本科毕业设计（论文） 第三章 恒流源模块的设计第三章 恒流源模块的设计3.1 供电电路的总体设计我们所需要设计的供电电路为恒流源电路，要求输出的电流是保持精密稳定的电流源，而理想的恒流源应该具有以下几个基本特点：（1）不因负载大小变化而变化；（2）不因环境温度变化而改变；（3）自身阻抗为无限大。能够提供恒定电流的电路即为恒流源电路，又称为电流反射镜电路，如图3.1所示。恒流电路U0RLU1I00U0图3.1 恒流源实际应用的电路图和理想输出特性图 ICP加速度传感器的输出信号是带有一定的直流分量的模拟信号，因此不能直接被A/D采集电路采集，恒流源模块必须为其供给恒流电，并同时将传感器
2、输出信号调理成标准的信号（如5V）。原理图见图 3.2：恒流源信号输入信号调理电路输出直流电源图3.2 恒流源电路原理图因为ICP传感器本身输出的信号就是已经被放大了的，因此干扰对其的影响微乎其微，甚至可以忽略，信噪比高，即使在条件恶劣的工厂环境下，ICP加速度传感器也都可以正常使用。故需要为ICP传感器设计一个合适的恒流源电路。 3.2 供电电路的实现恒流源的设计实现有很多的方法最简单的恒流源电路就是FET或者恒流二极管，但是这些电路实现的恒流源的稳定度也是比较差的，我们对折现恒流源电路进行分析，选出一种适合我们ICP传感器供电电路的。3.2.1 采用集成运放构成的线性恒流源其结构原理图如图
3、3.3所示： 图3.3 集成运放构成的线性恒流源 如图3.3所示其工作原理是：电源的波动降低Uin, 从而负载电流会响应减小, 则取样电压US也将随之减小, 从而使US与基准电压的差值(US-Uref)相应减小。由于U1A为反相放大器, 因此其输出电压 Ub = ( R5/R4 ) Ua 升高, 从而通过调节环节使US 升高，恢复到原来的稳定值, 保证了US 的电压稳定,也就稳定了电流 调整RW , 能够调节出大小在04A 之间的电流。它实现的是较大的恒流源电流，而我们的ICP传感器所需要的是小电流，所不适合我们作为我们ICP传感器的恒流源。3.2.2 采用集成稳压器构成的开关恒流源图3.4
4、采用集成稳压器构成的开关恒流源 如图3.4所示，LM7824为常用的24V三端稳压器，RW为可调电阻，RL为负载电阻。通过调节可变电阻器RW的值，来改变输出电流,这个电路的输出电流为: . (式3.1) 由于7824本身的稳压就存在误差，而且此电路实现的也主要是较大电流，因此也是不适合做我们的ICP传感器的供电电路。3.2.3 采用LM334芯片实现恒流源 采用单片集成芯片LM334给ICP提供恒流源电路，LM334是三端恒流器，使用起来很方便。可调电流来源具有10000:1的工作电流范围，优秀的电流调节电压和宽动态范围为1V至40V的。最简单的恒流源只需一个外部电阻而不需要其他地方电路就能实
5、现。初始电流精度为3。 图3.5 LM334构成恒流源如图3.5所示用此电路结构简单，只需要一个外接电阻就能实现从4uA到10mA的恒流输出，因此我们选用LM334来搭建我们的恒流源供电电路。3.2.4 LM334搭建恒流源LM334的特性：1. 工作电压从1V40V 2. 0.02/ V电流调节。3. 可编程的电流范围1uA10mA。4. 真正的两端操作。5. 能够作为指定的温度传感器 6. 初始精度为3。如图3.6所示为我们所用到的LM334的封装图 图3.6 LM334的封装芯片的典型的性能特性如图3.7所示： 图3.7 LM334的性能特性图如图3.7所示，计算 通过LM334（的）的
6、电流的总和是通过设置电阻（）和LM334的偏置电流（）的和，如图3.5所示为电流的流过情况。 只要在R端和U之间连接一个电阻就可构成不用独立电源的横流浮置电流源，改变大小就可改变恒流源的电流值，并有=67.7mV/选择不用的可使恒流源从1uA到10mA连续可调。(式3.2)由于（给定的设置电流）在中占很小的比例，因此可以等效的写成： 图3.8 温度影响在这里n是其中n是ISET的比例在指定的IBIAS电气特性部分，并显示在图3.8。由于n通常为2A18ISET的，该方程可进一步简化为：(式3.3)作为一个零点温度系数电流源的应用,增加一个二极管和一个电阻在一般的LM334电路上就能够消除LM3
7、34温度系数的影响特性。电路如图3.9所示： 图3.9 改进后的LM334恒流源 如图3.9所示，它通过加二级管来消除由于温度变化所引起的电流漂移，要设置的电流Iset是电流和的总和每一端大概都是提供50%的设置的电流。对于通常是包含在里面的大概增加了的值大约为5.9%。 (式3.4) 其中： I2=（）/R2利用下面的等式减少电路中的临时参数值。给出了一个例子用+227uV/作为芯片的参数，-2.5mV/作为二极管的参数（为了得到最好的结果，这个值应该直接被测量出来或者是从制造商那里得到这个二极管的参数值）。 (式3.5) 随着R1和R2之间的比例的确定，R1和R2的值就应该根据我们需要设置
8、的电流来设置它们的值。计算T=25时设定电流的计算公司如下面所示，接下来的这个例子就是在二极管是上的压降是0.6V，这个电压相交的电阻值R1是67.7mV（64mV+5.9% ） R1/R2= 10 (从前面的计算得知）。 (式3.6) 这个电路会消除大部分LM334的温度影响，而且具有很好的效果即使这个二极管的特征值不是很准确。 LM334功能强大，还有很多典型的应用电路，在这里我们就不一一介绍了，从上面对于LM334的分析在我们设计我们ICP传感器的恒流源的时候我们就只是考虑我们电路受到温度的影响，所以我们选用加一个二极管的那种消除温度影响的方式来设计我们的恒流源电路20。恒流源电路的计算
9、：由ICP传感器的参数知道，ICP传感器正常工作是所需要的恒流源提供的典型电流的大小是4mA，所以我们要利用上面介绍的LM334的典型电路搭建一个为我们ICP传感器提供4mA电流的恒流源电路。选用带有一个二极管消除温度干扰的电路。计算公式为： 所以： R1=34因为没有34电阻的存在，虽然可以利用其他阻值的电阻搭建，不过显得太麻烦，我们选用33的电路，计算一下得到的电流是4.06mA 误差很小，只有1%左右。所以R1=33。 由 R2/R1=10 得 R2=330电路图如图3.10所示： 图3.10 搭建的ICP传感器恒流源这样我们就完成了ICP传感器的恒流源的搭建，只需要将ICP传感器接在上
10、面就能正常的工作了。恒流源为ICP传感器提供电流的线路同时也是ICP传感器信号的输出线路，我们只需要在这上面引出一线将ICP的输出信号分离出来即可。 3.3 信号调理电路的设计3.3.1 信号调理电路的功能和目的信号的调理是构成测试系统的必要环节。经传感器采集的被测物理量的输出信号是很微弱的或者非电压信号，这些微弱的信号或非电压信号难以直接被显示或通过A/D转换器送入仪器或计算机进行数据采集，而且有些信号本身还携带有一些我们不期望的干扰信号，如噪声。因此，经传感器的信号尚需经过调理、放大、滤波等一系列的加工处理，以将微弱电压信号放大、将非电压信号转换为电压信号、抑制干扰噪声、提高信噪比，以便后
11、续环节处理。3.3.2 信号调理电路的组成（1） 交流耦合电路 交流耦合是通过电容串联在电路中来完成的耦合，利用电容“隔直流通交流“的特性去除信号里的直流分量，而对纯交流信号没有特别影响，从而使ICP示波器信号较完整的进入下一级电路。（2） 放大电路ICP传感器输出的电压信号幅度比较小,所以需要通过放大器来提高测量的精度。放大器通过匹配信号电平和A/ D 转换器的测量范围,来达到提高测量分辨率的目的。 （3） 低通滤波电路ICP加速度传感器，在检测中得到的信号出包含有效信息外，还有噪声和不希望得到的成分，从而导致真实信号的畸变和失真。其输出频率一般在200Hz一下，所以需要低通滤波电路过滤掉高
12、频成分。（4） 信号调理电路工作的框架图如下：交流耦合放大电路低通滤波电路显示输出ICP传感器图3.11 信号调理电路工作框图3.3.2 交流耦合的设计交流耦合是把电容直接串联在电路中，主要涉及内容是电容的选取。为了使ICP输出信号与下一级放大电路适当耦合，需要认真认真分析和选择出合适的电容。为了限制与交流耦合相关的低频偏斜（倾斜），我们必须正确设置3dB下截止频率的位置。ICP输出信号的频率取决于所测试的振源，实验自制振源频率选择在200Hz以下的，在计算3dB下截止频率时，可以使用公式f=1/2RC。如果使用 470F的电容和20M的输入阻抗，那么可以计算出0.2Hz的截止频率，这一结果足
13、以通过200Hz以下绝大部分频率段通过，对信号影响微乎其微。由于在较高的频率下电容会出现短路现象，因此我们不必担心高频滚降问题。在大多数应用中，具有极低ESR（Equivalent Series Resistance，等效串联电则）的0.1F耦合钽电容就足以胜任这一工作。3.3.3 信号放大电路的设计（1）AD620仪表放大器简介信号放大电路部分我们采用AD620仪表放大器搭建，AD620是的低功耗、低成本、 高精度的单片仪器放大器, 只用一个外接电阻就能设置放大为1-1000倍数，非常适合做传感器类微弱小信号的前置放大级，为8脚SOIC 或DIO封装，供电电压范围为2.3V18V。引脚图如下：图3.12 AD620引脚图 表3.1 AD620特性表其主要特点如下表：
