專利名稱：一種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：
本實用新型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 偏置的數控恒流源裝置。
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10nA，最大為土1.28uA，步進為10nA;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
本實用新型的目的在于，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。
本實用新型的目的是這樣實現的-
本實用新型提供的一種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l由單片機l-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i ,、 A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KCCj^W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l-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i ,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^及N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A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MOS場效應
7管Q4與電阻^、及3構成；第五運算放大器U3B的負相輸入端同時與電阻^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-l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^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/ 5、 7 6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^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Ql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A電連接；第七運算放大
器U4B的負相輸入端同時與電阻^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。
本實用新型相對于已有技術具有的有益效果
本實用新型提供的一種用于星載電場儀中的數控恒流源裝置，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；釆用 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是本實用新型的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置組成框圖 圖2是本實用新型的裝置中恒流源控制電路的電路原理圖 圖3是發明的裝置中恒流源電路的電路原理圖 圖面說明
1-恒流源控制電路 3-正向恒流源電路 5-第二電流方向選擇開關
3- 2正向第二級恒流源
4- 2負向第二級恒流源
2- 第一電流方向選擇開關 4-負向恒流源電路
3- 1正向第一級恒流源
4- 1負向第一級恒流源
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附 圖和實施例對本實用新型做進一步詳細說明。
參考圖1，制作一本實用新型的用于星載電場儀中的數控恒流源裝置。 本實施例的單片機1-5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80C31的單片機。該單片機1-5給出一個8位的數字信號(P0. 0-PO. 7)， 表示了一個電壓值，將P0. 0-P0. 7信號輸出端口分別與模數轉換器1-6的數字信 號輸入端(D0-D7)相連，于是模數轉換器1-6將由單片機l-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1-7的輸出端1-1輸出。 第一運算放大器1-7的輸出端1-1接到2選1模擬開關1-8的輸入端S3A，同時
與電阻R7的1-4端電連接。第二運算放大器l-9與電阻及7、 A構成反向電路， 輸出1-2接到2選1模擬開關1-8輸入端S3B。 2選1模擬開關1-8的輸出端接到第三運算放大器1-10的輸入端，第三運算放大器1-10連接成電壓跟隨電路方 式，第三運算放大器1-10的輸出端J/CC —/ ;7^接電流方向選擇開關2。單片機
卜5的輸出口 1-3 (即圖2中的Pl.O)的輸出信號為電流方向控制信號CONTROL, 該電流方向控制信號信號輸入到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。由于2選1 模擬開關1-8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 CONTROL為高電平時，輸出的控制電壓FCC」"p^為正的模擬電壓，使得后續恒 流源電路可以輸出正向電流；當CONTROL為低電平時，輸出的控制電壓 fcc 一 —W為負的模擬電壓，使得后續恒流源電路可以輸出負向電流。
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1模擬開關1-8，但要求漏電流要小于lnA的即可。
恒流源控制電路i的控制電壓輸出端(r:c——W)接到電流方向選擇開關
2的信號輸入端，恒流源控制電路1的電流方向控制端CONTROL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CONTROL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i , ， i 2 ， i 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^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/ , ， N溝道結型場效應管Q3的漏極接U3B的正向輸入端和電阻A
上。于是第一級恒流源的電流由輸入電壓與電阻A來確定，該電流為 / =紅-—。第五運算放大器U3B、 P溝道M0S場效應管Q4和電阻/ 2 ， i 3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:
級恒流源的電流可以得到
<formula>formula see original document page 11</formula>* FCC_/wpw 。所選用的電阻
均應為精密電阻，以保證電流精度。正電壓VCC直接與電阻^， 7 3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Q1、 N溝道M0S場效應管Q2以及電阻7 4， / 5， i e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^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^， ^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Ql的柵極， P溝道結型場效應管Ql的源級接電阻^ ， P溝道結型場效應管Ql的漏極接第七
運算放大器U4B的正向輸入端和電阻^上。于是第一級恒流源的電流由輸入電 壓與電阻A來確定，該電流為/ =j^g——。第七運算放大器U4B、 N溝道MOS
場效應管Q2和電阻^， ^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MOS場效應管Q2的柵極，N溝道MOS場效應管Q2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
、A乂
"*3
凡
嚇CC —鄉W。所選用的電阻均應為精密電阻，以保證
電流精度。負電壓vsc直接與電阻^，及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。
1權利要求1.一種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(l-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(l-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)與電阻及7、 ^構成反向電路，該第二運算放大器G-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(i-io)的輸出端/^W)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 (卜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(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《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M0S場效應管(Q4)與電阻^、 7 3構成；其中，第一電流方向選擇開關(2)的輸出端(S1A)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^及N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i 3電連接；第五運算放大器(U3B)的負相輸入端同時與電阻及2及P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)。
7. 按權利要求1所述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(Q1)以及電阻^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i^、 ^構成；其中，第一電流方向選擇開關(2)的輸出端(S1B)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^及P溝道結型場效應管(Q1)的源級電連接；第六運算放大1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(Ql)漏極與第七運算放大器(U4B)的同相輸入端和電阻&電連接；第七運算放大器(U4B)的負相輸入端同時與電阻及5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)。
專利摘要本實用新型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G05F1/10GK201417402SQ20092010726
公開日2010年3月3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, 波 劉, 姜秀杰, 峰 滿 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心