电子报/2006年/11月/12日/第013版 资料（开发）
数控PWM高精度电压电流源的制作
山东 郑茂欣
用普通方法进行脉冲宽度调制（PMW）精度不高，用数字方法控制PWM波可得到很高的精度，笔者实验的这款数字PMW电压电流源，以0.01V的步长，输出0.01V～30V的高精度电压，以0.01mA的间距，输出0.01mA～30mA的恒流。经用4位半数字万用表电压挡监测校准后的电压输出，在20V以下误差≤±1mV，30V以下误差≤±2mV，电流输出与电压精度相同。其分辨率相当于12位D／A，其非线性误差却能达到14位D／A的精度，成本比用D／A集成电路低很多。不足之处是电源温度系数较大，约达50ppm／℃，这可能与基准电压源及分压电阻的温度系数有关。若能设法提高其温度稳定性，则本电源至少可用于校准3位半数字表。增大其输出电流，即可成为高精度可调稳压电源。电路见附图。
图中，四位＋进制计数器构成最大计数10000的计数器，所用IC为双十进制同步计数器CD4518。受运放最大输出的，本电路只能输出30V以下的电压。若在最高位十进计数器的Q3端引出高电平将计数器清零，即可变成最大计数值为4000的计数器。K1～K4为四位BCD拨码开关，用以设定输出电压、电流值。CD4585为4位二进制比较器。用4块CD4585级联起来，可构成16位BCD码比较器。当计数器值与拨码开关相同时，IC4③脚输出高电平。双D触发器CD4013的一个触发器接成PWM波发生器电路，另一个接成频率约800kHz的无稳电路，用于产生本机的时钟脉冲。
现以拨码开关置数1245为例，说明电路的工作过程。IC5、IC6在800kHz时钟脉冲作用下计数每计满4000个脉冲，IC5（13）脚变为高电平，加到CD4013的④脚置0端，使CD4013的①脚Q1为低电平，②脚为高电平。Q1的高电平经C1微分后加到各计数器的清零端，使之清零。不用IC5的（13）脚高电平直接将CD4518清零，是为了使其清零较之CD4013置零有一短暂延时，否则，PWM将不能正常工作。这4000个脉冲所用时间就是PWM波的一个周期。接下来CD4518继续计数，当计数到与拨码开关的置数1245相同时，IC4的③脚输出高电平到CD4013的⑥脚置1端，将Q1变为高电平，变为低电平。Q1端高电平持续的时间恰为1245个时钟。随后，IC5、IC6继续计数，满4000个时钟再次将Q1置1，进入下个PWM波产生过程。如此重复，在Q1端即可得到频率200Hz、周期4000个时钟、脉宽1245个时钟的PWM波，见附图中的波形图。
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运放TL062和复合管Q3、Q4组成稳压输出电路。上述PWM波经R21、R22和C5、C6滤波，变成4.67V左右的稳定直流电压。R25、R28构成的分压电路通过运放将上述电压变换为12.45V，这就是本电源的最终输出电压。只要改变拨码开关的数值，就可得到相应的电压。由于运放TL062只放大正向电压，故采用＋33V、－3V供电，以保证正向30V以上的输出幅度。如选用更高工作电压的运放，还可将输出电压提高至40V、80V甚至100V。
图中的电阻R24，多圈电位器W1和R23组成最低电压0.01V的校准电路。从附图的波形图可以发现，在拨码开关置00001时，由于电路置零、清零需要，一定的时间，致使输出PWM波的前沿稍有缺失，因而，其输出电压不是准确的0.01V，而是比0.01V小，加上TL062还有几毫伏的失调电压，因而必须设置0.01V校准电路，将0.01V校准，同时补偿TL062的失调电压。电阻R24所接电压是15V还是－3V，视0.01V校准前的误差正负而定。R23用20MΩ，是为了尽量减少PWM波的损失，即减少CD4013输出电阻所导致的误差，因为TL062的输入端只取微弱的偏置电流，PWM波的损失主要是由R23等造成的，必须尽可能将R23取大些。注意，不能用上述电路调零。从波形图还可看到，当拨码开关置0000时，输出PWM波有一个短暂的尖脉冲，这同样是由置零及比较器延时所造成的，因而导致拨0时输出电压不为零，约有1mV～3mV，但不影响本电源的正常工作。
TL062的另一个运放组成0.01mA30mA的恒流源。其中，R31为恒流电阻，R32为运放保护电阻，防止输出无负载时电流全部灌入运放。2N5401为恒流调整管，其恒流值＝VOUT／R31，当R31取1kΩ时，输出恒流为0.01mA～30mA。当然，也可改为其他值，但要改变调整管以加大功率。注意，恒流的输出与电压输出是不共地的。恒流的输出低端为－36V端，提供高达36V的动态范围，在负载电阻变动很大时仍能保证恒流不变。K6为恒流输出开关，不用时可关闭。
为保证本电源安全，电路设置了过流截止保护电路。该电路由Q1、Q2构成。其中，R30为过流检测电阻，其阻值＝1.4V÷最大电流。若最大电流取1A，则R30可取1.4Ω。C4为保护动作提供一定延时。R20为C4的泄放电阻，用以放掉C4上的电荷，为下次保护做好准备。D3防止C4向R30反向放电，保证电路正常工作。当发生过流时，R30两端电压超过1.4V，触发电路导通，将运放输出拉到地电平，电源无输出。K5为保护开关兼输出开关。当电源进入保护状态后，闭合K5再打开，电路即恢复过流前的输出电压。也可在不需要时关闭输出。Q1、Q2一定要选用穿透电流极小的三极管，否则电路可能一直处于导通状态，无法正常工作。
为防止电路工作时基准电压变动对PWM波的影响，CD4013用单独的15V电源供电，该电源由TLA31和8050调整管组成，其精度和温度系数决定了输出电压的精度和温度稳定性。其他集成电路的电源由7815提供。选用15V的较高电压是为了提高PWM波的初始精度。
本电源的校准方法是，打开电源开关后稍停数分钟，先将拨码开关置为19.9V（便于用4位半数字表监测），若输出电压不是19.900V，应微调R28加以校正。然后将拨码开关置于0.01V，微调W1，使输出电压为准确的0.010V。最后再回来看19.900V有无变化，若有再微调R28。接着再校正恒流输出。将数字表置20mA挡，插入恒流插孔，然后微调R31（拨码开关置19.90），使输出为19.900mA即可。电路中R21～R25、R28、R31、R33、R34均为精密金属膜电阻。
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