高精度源表的中电流源应用方案研究与设计毕业论文
2020-02-17 10:02
摘 要
任何一个电子设备都需要电源电路，而在可穿戴医疗设备迅速发展的今天，电流源作为各类电子医疗设备安全、稳定的保障更是不可或缺。传统电流源精度较低且难以扩展，而一款高精度，低功耗的电流源是各设备稳定工作的保障。国外吉时利公司的源表是目前使用最多且性能最为良好的也是使用最为广泛的。它集电流电压源、电流电压表和负载电阻五种功能于一体，而且功耗低，精度高，已成为精密仪器和高精度源的必选。
本文设计了一款基于单片机的数控直流电流源，具有可预置电流、电流步进、显示电流的功能，主要由单片机模块、D/A转换模块、恒流源模块、A/D转换模块组成。通过将恒流源输出电流送入单片机进行调整以减小误差提高精度。经过软件仿真可得到，其误差基本控制在2%，大部分在1%以内，基础功能基本实现，不足之处是没有继续探究其低功耗的问题。
本文在设计电流源的基础上还重点探究了高精度源表中电流源的应用场合，如测试热敏电阻、驱动LED照明、测试蓄电池充放电、半导体参数测量等方面。通过设计电流源和研究其应用方案可知，基于单片机的数控电流源实现简单且精度符合要求，可将其广泛应用。
关键词：源表；电流源；高精度
Abstract
Any electronic device needs power supply circuit, and in the rapid development of wearable medical equipment today, current source as a security and stability of all kinds of electronic medical equipment is indispensable. The traditional current source has low precision and difficult to expand, and a high precision and low power consumption current source is the guarantee of the stable operation of each equipment. The source table of foreign Jishili company is the most widely used and the most widely used at present. It integrates five functions of current and voltage source, current voltage meter and load resistance, and has become a necessary choice for precision instruments and high precision sources because of its low power consumption and high precision.
In this paper, a CNC DC current source based on single chip microcomputer is designed, which has the functions of preset current, current step and display current. It is mainly composed of single chip microcomputer module, D/A conversion module, constant current source module and A/D conversion module. The output current of the constant current source is sent to the single chip microcomputer for adjustment to reduce the error and improve the accuracy. After software simulation, the error is basically controlled at 2%, most of them are less than 1%, and the basic functions are basically realized. The disadvantage is that the problem of low power consumption has not been further explored.
On the basis of designing current source, this paper also focuses on the application of current source in high precision source meter, such as testing thermistor, driving LED lighting, testing battery charge and discharge, semiconductor parameter measurement and so on. By designing the current source and studying its application scheme, it can be seen that the NC current source based on single chip microcomputer is simple to realize and the accuracy meets the requirements, so it can be widely used.
Keywords: SourceMeter ;Current source ;High precision
目录
第1章 绪论 1
1.1研究目的 1
1.2研究意义 1
1.3国内外现状 2
1.4 发展前景 3
第2章 高精度源表中电流源的应用探究 4
2.1 源表的技术特点 4
2.2 源表中的电流源性能特点 4
2.3 电流源应用 5
第3章 硬件电路设计 7
3.1 技术难点 7
3.1.1 高精度大电流源技术方案 7
3.1.2 高精度微小电流源技术方案 8
3.2 方案比较 8
3.3 电路模块 11
3.4 本章小结 15
第4章 系统电路设计 17
4.1 液晶显示模块 17
4.2 恒流源模块 17
4.3 单片机数控模块 19
4.4 ADC模块 19
4.5 DAC模块 19
4.6 软件设计 20
4.7 本章小结 21
第5章 仿真结果分析及应用方案 22
5.1仿真环境 22
5.2 仿真分析 22
5.3 结果分析 23
5.4 电流源应用方案 23
5.4.1 热敏电阻的测试 23
5.4.2 LED照明驱动的测量技术 25
5.4 本章小结 26
第6章 总结与展望 28
参考文献 29
致 谢 30
第1章 绪论
1.1研究目的
随着工业技术的不断发展和电子电路技术的不断完善，越来越多的智能化、数字化的精密的电子设备出现在我们的生活中，消费者在关注设备的设计、功能、性能以及价格的同时，设备的质量和稳定性也逐渐被人们列入考虑行列，设备的稳定性说到底就是电流的稳定性，而在可穿戴医疗设备迅速发展的今天，电流源作为各类电子医疗设备安全、稳定的保障更是不可或缺。电流源为工作电路提供动力，可做驱动、控制或偏置电路，其性能将直接决定了系统是否可实现以及实现的稳定程度[1]。随着人们对电子产品和电子设备的功能和性能方面要求也越来越高，对电源的高稳定性、高精度和小体积等方面的需求也越来越大。传统电源控制输出电流的方法是通过调整偏置电阻，但在一些要求特殊精度特殊线性程度的场合，传统电源就很难满足要求。因此电源技术就迎来了新的发展方向和发展机遇。
电源是电子设备工作的核心器件，其质量的好坏将会影响电子设备的正常工作和使用性能。在科学的研究与实践中，电源理论的研究和电源的应用是非常有必要的。近年来，数字控制技术在电源技术中扮演着重要的角色，传统模拟技术方法难以实现或者精确不高，相比之下，数字控制技术越来越展现出它的优势，开始应用于对电源的控制[2]。数字技术具有稳定性高、受外界因素影响小、不易受到电磁干扰、控制和操作简单等优点。便携式电子设备的发展，推动着数字电源技术和功率管理技术的发展，一款数控直流电流源应运而生。
1.2研究意义
电源是保障电子设备正常工作的核心部件，它决定了设备工作的稳定性程度和设备工作的可靠性程度，因此一款合格的电源必须要有高可靠性、优良的电气性能、好的维修性还要体积和质量较小价格较低等。随着集成电路密度不断增大、摩尔效应发展前景不可估量，许多电子产品的系统电路由越来多地采用超大规模、大规模集成电路位核心加简单外围元器件组成[3]。电源电路也不例外地不断集成化甚至是单片机化，其应用集成电路越来越广泛且种类越来越多。数控恒流源随着人们对电源技术的要求越来越高应运而生，他从上个世纪80年代有了初步的雏形，到后来随着单片机越来越高程度化地走进人们的生活，数控电流源也慢慢有了它的地位，得到快速发展。但是要做到一款能应对不同输入都能高精度、拥有很强带负载能力、稳定的输出和低功耗于一体的电流源却非常不易。大多设计都是针对一个方面进行改进，所谓“鱼与熊掌不可兼得”就是这个道理。所以，高精度可数控的电流源有很大的发展空间。
集成运放恒流源以他的体积小、扩展能力强、功耗低、输出稳定性好以及精度较高被广泛应用在电流源模块。他的输出电流受晶体管的影响，一般适用于小电流范围，安培量级的输出可以用在一些微型电子设备的输出和驱动上，比如小型风扇和小型计算器等，但它的发展前景很好，还需要做改进和完善之后做进一步的实验，因此研究集成运放恒流源具有非常现实的意义。而且随着人们对电子设备的性能方面要求也越来越高，对电源的高稳定性，高精度和小体积等方面的需求也越来越大。传统电源是通过调整偏置电阻的方式来控制输出电流的，但在一些要求特殊精度特殊线性程度的场合，传统电源就很难满足要求，近年来，数字控制技术在电源技术中扮演着重要的角色，传统模拟技术方法难以实现或者精确不高，相比之下，数字控制技术越来越展现出它的优势，开始应用于对电源的控制。数字技术具有稳定性高、受外界因素影响小、控制和操作简单、便于计算机处理、易于集成化、不易受到电磁干扰等优点。而且集成电路可以克服分离元器件电源可靠性低的缺点，同时集成电路厂家对集成电路参数进行过优化，使得电源电路标准化和可靠化程度大大加强，从而也减轻了诸多工作人员的工作，也有利于满足自动化、机械化的现代生产工艺要求。电源集成电路不仅在电源电路中被采用，同时也在其他系统电路中被采用，无论是背投电视机、液晶显示器、智能手机、多功能扫描仪还是实验室里必备的小型电源，都需要一款精度高、功耗小的数控电流源。因此，电源集成和电流源数字化具有很好的发展前景。
1.3国内外现状
恒流源的研究起源于20世纪60年代早期。最早有人将镇流管应用于恒流源电路，成为了恒流源史上的第一款应用电路。因为镇流管作用很多，主要就是能够稳定输出电流，所以它可以经常在交流电路中被看到，但是单个电子管不能单独应用在恒流测试中，可以将它应用在复杂恒流电路中。后来随着半导体技术的发展，越来越多性能很好的晶体管恒流源电路出现在人们的视野中，并被很多人通过实践所证明，因此得到了广泛的应用[4]。晶体管恒流源的出现给恒流源电路带来了很多便利，许多电子线路的调整电路都需要晶体管加以辅助。到了70年代，半导体集成技术越来越被人们重视，随着集成电路密度不断增大、摩尔效应发展前景不可估量，许多电子产品的系统电路由越来多地采用超大规模、大规模集成电路位核心加简单外围元器件组成。电源电路也不例外地不断集成化甚至是单片机化，其应用集成电路越来越广泛且种类越来越多。80年代之后一直到90年代，在电子电路和电力电路领域的功率半导体器件有了长足的发展，电源技术更加成为不可忽视的一个重中之重的领域并且出现了高频窄波的点解加工电源[5]。虽然我们国家的电源产业发展迅速且得以重视，但是和国外的相比还是有很大的发展距离。目前国外电源产业的两大巨头就是泰克科技和是德科技两大公司。泰克旗下的吉时利公司专注于源表的研发，它设计出的源表集电流源电压源、电流表电压表以及负载电阻于一体，将源与表有效的结合，每一款市面上的广泛应用的源表都具备电压电流源以及测量功能。虽然他集五种功能于一体，但是并不影响他的精确性和精密性，使用这种集成性的仪器不仅比较方便而且精度可靠实验效率也更高，事实证明，这种集五种功能于一体的数字源表比各个功能的仪器分别使用效率和精度都要高很多。目前我们国家还没有自己的源表研究成果，还需要多加钻研和学习。
总的来说，国内的电源发展还有待提高，发展空间还很大。我们应该在别人先进德技术德指引下，多加学习多培养这方面人才，多投资于电源产业，将之做大做强。
1.4 发展前景
近年来，数字控制技术在电源技术中扮演着重要的角色，传统模拟技术方法难以实现或者精确不高，相比之下，数字控制技术越来越展现出它的优势，开始应用于对电源的控制。数字技术具有稳定性高、受外界因素影响小、不易受到电磁干扰、控制和操作简单等优点。而且集成电路可以克服分离元器件电源可靠性低的缺点，同时集成电路厂家对集成电路参数进行过优化，使得电源电路标准化和可靠化程度大大加强，从而也减轻了诸多工作人员的工作，也有利于满足自动化、机械化的现代生产工艺要求。由于功率器件的更新换代，未来数字控制方式必定代替模拟控制方式。电源设备的发展要受到很多方面的影响，未来电子电源设备的发展方向必定是：(1)高频化和小型化，使得重量减小单位体积的输出功率增加以改善动态响应特性；(2)标准化和模块化，要让功能和指标统一，提升供电保障可靠性；(3)数字化和智能化，随着物联网的发展，智能化不仅仅是电子电源方面的发展趋势，更是整个社会的发展趋势；(4)绿色化和隐身化，设备的设计要朝着与环境协调的方向发展，这样既保护了环境而且节约了资源更增加了设备的可维修性，同时设备隐身化也是必须考虑到一个话题，隐私这两个字已经成为现代人们越来越敏感的话题，设备的隐身性也是一个必然趋势[6]。
第2章 高精度源表中电流源的应用探究
2.1 源表的技术特点
数字源表也叫数字源测量单元（SMU），它兼具以下仪器的有用功能：数字万用表 (DMM)、电压源、电流源、负载电阻和脉冲发生器。它集五种功能于一体，将源与表有效的结合，每一款市面上的广泛应用的源表都具备电压电流源以及测量功能，虽然它集五种功能于一体，但是并不影响它的精确性和精密性，事实上，使用这种集成性的仪器不仅比较方便而且精度可靠实验效率也更高，事实证明，这种集五种功能于一体的数字源表比各个功能的仪器分别使用效率和精度都要高很多。
数字源表把源功能和测量功能紧密集合到一台仪器中，不需要单独的DMM（数字万用表）和电源，它可以改善测试时间，简化整体测试系统设计，提高了易用性，在各种应用的电流相对于电压的关系（IV）中，源表的性能都优于单独使用万用表和电源。传统电源只能根据需求选择与实验相搭配的设备，但是源表不一样，它不仅可以测量源电流和源电压的实验值而且还能作为电子负载使用，拥有较为宽泛的输出范围而且比传统电源的精度更高。它内部设有保护电路，可以保证过流保护和过压保护。除此之外，源测量单元还有强大的脉冲扫描能力，可以直接利用它的脉冲扫描功能来测量交流设备，且具备多个I/O接口输出引脚，可以满足多个测量时的需求。
目前吉时利的源表经过长年的发展，型号非常多，可以满足不同人各方面的要求，它不仅具备高精度的优点还有低噪声和可重复率高以及高的回读率，是一款紧凑型功能强大的电子设备。具体工作时，根据所需要的条件和要求，既能用作电压源、电流源，又能当电压表、电流表和欧姆表。在通信、医疗、电力电子、计算机和物联网行业都有非常广泛的应用。回忆我们在模电和数电的传统实验中，测量时通常需要万用表进行电压测量，电流只能进行间接测量，而且实验室电源大多数是电压源，高精度稳定的电流源也很少使用，现在，一款功能齐全的源表出现将大大方便我们的实验效率，缩短开发时间，减少实验成本，简化测试过程，更重要的是，它的精度极高，使用它将会大大减小实验误差，达到实验目的。
2.2 源表中的电流源性能特点
任何电源都可以将电流传递给设备，但其中许多电源只需设置输出电压，然后提供尽可能多的电流。然而在许多情况下，描述一个设备的行为最好的方法是通过它的电流而不是电压。这意味着获取一个固定的电流比获取一个固定的电压更好。恒流源输出特定的电流给DUT(正在测试的设备)，并提供其所需要的电压。先进的电流源，如吉时利源表6220型和6221型允许在施加的电压水平上设置一个“遵从限制”。
下面以吉时利源表6220型高灵敏度超低电流噪声直流电流源为例分析源表中的电流源性能要求：
- 电流输出范围100fA~100mA(低电流对半导体设备和纳米技术的测量非常关键)；
- 输出阻抗最高可达1014Ω（输出阻抗确保为各种负载提供稳定的电流源）；
- 通过输出电压顺应功能，保护精致的DUT不受过电压的影响；
- 生成具有可编程振幅和频率的标准或任意波形；
- 较高的读速率和较低的测量噪声[7]。
除此之外，吉时利2400系列源表应用也非常广泛，下面是其系列下产品的一些参数：
表2.1 吉时利源表（2400系列）性能参数
型号 | 2400 | 2401 | 2410 | 2420 | 2440 | 2450 | 2460 |
测量电流范围 | ±1pA~ ±1A | ±1pA~ ±1A | ±1pA~ ±1A | ±1pA~ ±3A | ±10pA~ 以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。 相关图片展示：
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