一种双向电流源电路的制作方法

本发明涉及电流源领域，特别是涉及一种双向电流源电路。

背景技术

电液伺服阀和液压伺服马达，是电液伺服控制中的关键元件，它们是一种接受模拟电流信号后，相应地控制指定物理量，如电液伺服阀通常用于调节流量和压力，伺服马达常用于驱动轴系旋转等。

双向电流源电路，又叫Howland电路，在有源网络的理论中又叫Howland电流泵电路，它是一种恒流源电路，电路原理图如图1所示。电路中引入正负两个反馈支路，负载电阻接地，迫使负反馈比正反馈强，确保电流源电路工作在负反馈的稳定状态。

电液伺服阀和液压伺服马达的驱动信号为双向电流源，单片机的输出为单幅值电压信号，而目前现有的双向电流源电路，如图2所示，由双运算放大器组合实现的，该电路中需要采用正负双向电压源，利用负反馈，保证电阻Rs两端的电压不变来实现双向电流源，无法实现将单片机输出的单幅值电压信号转换成电液伺服阀或液压伺服马达所需的驱动信号。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双向电流源电路，可以将单片机输出的单幅值电压信号变换为电液伺服阀和液压伺服马达所需的驱动信号。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双向电流源电路，包括：依次连接的电压电流变换电路和单双向转换电路；所述电压电流变换电路的输入端与单片机的输出端连接，所述单双向转换电路的输出端与待驱动器件的输入端连接；

所述单双向转换电路包括第一晶体管电桥电路和第二晶体管电桥电路；所述第一晶体管电桥电路的第一端和所述第二晶体管电桥电路的第一端均与所述电压电流变换电路的输出端连接，所述第一晶体管电桥电路的第二端与所述第二晶体管电桥电路的第二端连接；所述第一晶体管电桥电路的第三端为所述双向电流源电路的第一输出端；所述第二晶体管电桥电路的第三端为所述双向电流源电路的第二输出端；所述第一晶体管电桥电路的第五端与所述第二晶体管电桥电路的第五端连接；所述第二晶体管电桥电路的第六端与激励信号的输出端连接。

可选的，所述双向电流源电路，还包括：与所述电压电流变换电路的输入端和所述单片机的输出端连接的分压电路。

可选的，所述第一晶体管电桥电路包括：

第一PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管和第一电阻，所述第一NMOS管的源极分别与所述电压电流变换电路的输出端和所述第二晶体管电桥电路的第一端连接；所述第一NMOS管的栅极分别与所述第二NMOS管的漏极、所述第一PMOS管的栅极和所述第一电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端分别与所述第一PMOS管的源极和所述第二晶体管电桥电路的第二端连接；所述第一NMOS管的漏极以及所述第一PMOS管的漏极为所述双向电流源电路的第一输出端；所述第二NMOS管的栅极与所述第二晶体管电桥电路的第五端连接；所述第二NMOS管的源极与模拟地连接。

可选的，所述第二晶体管电桥电路包括：

第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第二PMOS管的源极分别与所述第一晶体管电桥电路的第二端和所述第二电阻的一端连接；所述第二PMOS管的栅极分别与所述第二电阻的另一端、所述第三NMOS管的栅极和所述第四NMOS管的漏极连接；所述第二PMOS管的漏极和所述第三NMOS管的漏极为所述双向电流源电路的第二输出端；所述第三NMOS管的源极分别与所述第二晶体管电桥电路的第一端和所述电压电流变换电路的输出端连接；

所述第四NMOS管的源极和所述第三电阻的一端均与模拟地连接；所述第四NMOS管的栅极分别与所述第四电阻的一端和所述第三电阻的另一端连接；所述第四电阻的另一端与所述激励信号的输出端连接。

可选的，所述电压电流变换电路，包括：

运算放大器、第五电阻和第五NMOS管；所述运算放大器的第一端与所述单片机的输出端连接；所述运算放大器的第二端分别与所述第五电阻的一端和所述第五NMOS管的源极连接；所述第五电阻的另一端与模拟地连接；所述运算放大器的第三端与所述第五NMOS管的栅极连接；所述第五NMOS管的漏极分别与所述第一晶体管电桥电路的第一端和所述第二晶体管电桥电路的第一端连接。

可选的，所述双向电流源电路，包括：反馈电路，所述反馈电路的输入端与所述单片机中模拟数字转换器的信号输出端连接，所述反馈电路的输出端与所述第五电阻的一端连接。

可选的，所述反馈电路包括：第六电阻和第一电容，所述单片机中模拟数字转换器的信号输出端分别与所述第六电阻的一端和所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与所述模拟地连接，所述第六电阻的另一端与所述第五电阻的一端连接。

可选的，所述分压电路包括：第七电阻、第二电容和第八电阻；所述第七电阻的一端与所述单片机的输出端连接，所述第七电阻的另一端分别与所述第二电容的一端、所述第八电阻的一端和所述电压电流变换电路的输入端连接；所述第八电阻的另一端和所述第二电容的另一端均与模拟地连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明设置电压电流变换电路将单片机输出的单幅值电压信号转换成电流信号，设置晶体管电桥组成的单双向转换电路将电流信号转换成电压伺服阀需要的双向电流。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为Howland电流源电路的电路图；

图2为现有的双向电流源电路的电路图；

图3为本发明提供的双向电流源电路的电路图；

图4为分压电路的电路；

图5为本发明提供的更具体的双向电流源电路的电路图；

图6为顶视图引脚配置图；

图7为集成电桥内部原理图。

符号说明：

Q2B-第一PMOS管、Q2A-第一NMOS管、Q4B-第二NMOS管、R62-第一电阻、Q3B-第二PMOS管、Q3A-第三NMOS管、Q4A-第四NMOS管、R72-第二电阻、R82-第三电阻、R92-第四电阻、U3B-运算放大器、R52-第五电阻、Q1-第五NMOS管、R15-第六电阻、C15-第一电容、R12-第七电阻、C32-第二电容、R22-第八电阻、GA-模拟地。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

电液伺服阀具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点，已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电液伺服控制系统中，电液伺服阀技术诞生是液压控制技术和液压控制系统的发展结果。电液伺服阀一般按力矩马达形式分为动圈式和永磁式两种。传统的伺服阀大部分采用永磁式力矩马达，此类伺服阀还可分为喷嘴挡板式和射流式两大类。国内生产伺服阀的厂家大部分以喷嘴挡板式为主。国外情况亦类似。当前国内在研究、生产及使用伺服阀方面形成了一定的规模，生产的产品主要用于航空、航天、舰船等军品领域。当前电液伺服阀的研究主要集中在结构及加工工艺的改进、材料的更替及测试方法的改变。

液压马达是液压系统的一种执行元件，它将液压泵提供的液体压力能转变为其输出轴的机械能(转矩和转速)。液体是传递力和运动的介质。它具有响应速度快、功率/重量比大、负载刚性高和性能价格比高等特点，能实现高精度、高速度和大功率的控制，因此在航空航天、冶金、船舶、机床、动力设备和煤矿机械等工业领域得到了广泛采用，如用于飞机发动机转速模拟系统、大型雷达天线、火炮自动跟随系统、注塑机和液压机等。当今工业世界，随着伺服控制技术广泛的应用和发展，液压伺服马达作为电液伺服系统的一个独立的、重要的执行元件已经成为一个新型工业产品越来越多地为工业自动化服务。它是将液压能转换成机械能，主要由轴、键、壳体、支架、端盖及插头座等组成。其品质优劣直接决定了伺服系统的动态响应能力、静态控制精度和系统稳定性。

但是电液伺服阀和液压伺服马达的驱动信号为双向电流源，单片机的输出为单幅值电压信号，因此需要对该信号经过幅值缩小、幅值变换和电压/电流(V/I)变换，而目前现有的双向电流源电路，如图2所示，其中R2/R1＝R4/R3，Iout＝-(Vin/Rs)*(R2/R1)，Rs两端电压通常等于输入电压，电阻RL是负载，没有RL时，输出的是正或者负的最高电压，而当Rs上的电流变大时，RL上端的电压下降，通过同相器和R4反馈到运算放大器输出端，主运算放大器的输出变小，通过Rs的电流变小，反之亦然。其中下面的运算放大器主要起到防逆流的作用，也可以取消，但是这样电流精度会稍差一些。此电路实现双向电流源需要提供双向电源供电，另外需要大电流运算放大器，受到运算放大器影响，很难实现很大的电流源，一般不大于20mA。而且类似这样的常规电流源，通常电流都不大于20mA，并且需要双电源供电，电流的大小直接受运算放大器的电流限制，使得外扩晶体管扩流电路增大了PCB面积。

因此本发明公开了一种双向电流源电路，可以根据需要，适当修改反馈电阻，可轻松实现10～500mA的量程，并且可以将单片机输出的信号经过幅值缩小、幅值变换和电压/电流(V/I)变换的操作。如图3所示，双向电流源电路，包括：依次连接的电压电流变换电路和单双向转换电路；所述电压电流变换电路的输入端与单片机的输出端连接，所述单双向转换电路的输出端与待驱动器件的输入端连接。

所述单双向转换电路包括第一晶体管电桥电路和第二晶体管电桥电路；所述第一晶体管电桥电路的第一端和所述第二晶体管电桥电路的第一端均与所述电压电流变换电路的输出端连接，所述第一晶体管电桥电路的第二端与所述第二晶体管电桥电路的第二端连接；所述第一晶体管电桥电路的第三端为所述双向电流源电路的第一输出端；所述第二晶体管电桥电路的第三端为所述双向电流源电路的第二输出端；所述第一晶体管电桥电路的第四端和所述第二晶体管电桥电路的第四端均与模拟地GA连接；所述第一晶体管电桥电路的第五端与所述第二晶体管电桥电路的第五端连接；所述第二晶体管电桥电路的第六端与激励信号的输出端连接。

如图4所示，作为一种可选的实施方式，所述双向电流源电路，还包括：与所述电压电流变换电路的输入端和所述单片机的输出端连接的分压电路。

作为一种可选的实施方式，所述第一晶体管电桥电路包括：

第一PMOS管Q2B、第一NMOS管Q2A、第二NMOS管Q4B和第一电阻R62，所述第一NMOS管Q2A的源极分别与所述电压电流变换电路的输出端和所述第二晶体管电桥电路的第一端连接；所述第一NMOS管Q2A的栅极分别与所述第二NMOS管Q4B的漏极、所述第一PMOS管Q2B的栅极和所述第一电阻R62的一端连接；所述第一电阻R62的另一端分别与所述第一PMOS管Q2B的源极和所述第二晶体管电桥电路的第二端连接；所述第一NMOS管Q2A的漏极以及所述第一PMOS管Q2B的漏极为所述双向电流源电路的第一输出端；所述第二NMOS管Q4B的栅极与所述第二晶体管电桥电路的第五端连接；所述第二NMOS管Q4B的源极与模拟地GA连接。其中，第一电阻R62的电阻可以为4.7k。

作为一种可选的实施方式，所述第二晶体管电桥电路包括：

第二PMOS管Q3B、第三NMOS管Q3A、第四NMOS管Q4A、第二电阻R72、第三电阻R82和第四电阻R92，所述第二PMOS管Q3B的源极分别与所述第一晶体管电桥电路的第二端和所述第二电阻R72的一端连接；所述第二PMOS管Q3B的栅极分别与所述第二电阻R72的另一端、所述第三NMOS管Q3A的栅极和所述第四NMOS管Q4A的漏极连接；所述第二PMOS管Q3B的漏极和所述第三NMOS管Q3A的漏极为所述双向电流源电路的第二输出端；所述第三NMOS管Q3A的源极分别与所述第二晶体管电桥电路的第一端和所述电压电流变换电路的输出端连接。

所述第四NMOS管Q4A的源极和所述第三电阻R82的一端均与模拟地GA连接；所述第四NMOS管Q4A的栅极分别与所述第四电阻R92的一端和所述第三电阻R82的另一端连接；所述第四电阻R92的另一端与所述激励信号的输出端连接。其中第二电阻R72的电阻可以为4.7k，第三电阻R82的电阻可以为1M，第四电阻R92可以为4.7k。

作为一种可选的实施方式，所述电压电流变换电路，包括：

运算放大器U3B、第五电阻R52和第五NMOS管Q1；所述运算放大器U3B的第一端与所述单片机的输出端连接；所述运算放大器U3B的第二端分别与所述第五电阻R52的一端和所述第五NMOS管Q1的源极连接；所述第五电阻R52的另一端与模拟地GA连接；所述运算放大器U3B的第三端与所述第五NMOS管Q1的栅极连接；所述第五NMOS管Q1的漏极分别与所述第一晶体管电桥电路的第一端和所述第二晶体管电桥电路的第一端连接，其中第五NMOS管Q1的型号可以为BSS138，运算放大器U3B的型号可以为LM224。

如图5所示，作为一种可选的实施方式，所述双向电流源电路，包括：反馈电路，所述反馈电路的输入端与单片机中模拟数字转换器的信号输出端连接，所述反馈电路的输出端与所述第五电阻R52的一端连接。因为电路的输入端接入是单片机，所以单片机中模拟数字转换器的信号输出端是指单片机中的ADC(模拟数字转换器)输出的信号，其中Ai1连接单片机中模拟数字转换器的信号输出端，作用是电流输出反馈，故障诊断。

作为一种可选的实施方式，所述反馈电路包括：第六电阻R15和第一电容C15，所述单片机中模拟数字转换器的信号输出端分别与所述第六电阻R15的一端和所述第一电容C15的一端连接，所述第一电容C15的另一端与模拟地GA连接，所述第六电阻R15的另一端与所述第五电阻R52的一端连接。其中，第一电容C15的电容可以为0.1μF。

作为一种可选的实施方式，所述分压电路包括：第七电阻R12、第二电容C32和第八电阻R22；所述第七电阻R12的一端与所述单片机的输出端连接，所述第七电阻R12的另一端分别与所述第二电容C32的一端、所述第八电阻R22的一端和所述电压电流变换电路的输入端连接；所述第八电阻R22的另一端和所述第二电容C32的另一端均与模拟地GA连接。其中，第七电阻R12的电阻可以为20.5k，第二电容C32的电容可以为0.1μF，第八电阻R22的电容可以为10k。

本发明的工作过程大体为：单片机输出的单幅值电压信号经信号电压变换电路改变了电压信号的幅值和大小，经过改变幅值大小的电压信号从最右边运算放大器的3端口输入，然后经过运算放大器U3B和晶体管第五NMOS管Q1变为电流信号Ioi，然后电流信号Ioi经过晶体管电桥电路，输出Io 和Io-电流信号，得到满足量程需要的双向驱动电流经过运算放大器U3B加晶体管变为电流信号Ioi，进入到晶体管电桥电路，输出Io1 和Io1-电流，得到满足量程需要的驱动电流。下面介绍本发明的具体工作过程：

1、单片机电压信号的幅值缩小和变换

首先电压幅值缩小可直接通过同种特性的电阻分压获得，信号电压变换电路如图4所示，该电路由电阻分压。单片机输出的单幅值电压信号为图4中的Ao2，经由第七电阻R12和第八电阻R22分压，改变电压信号的幅值，因为Ao2为单片机输出的单幅值电压信号，所以第二电容C32相当于断路状态，然后通过运算放大器U3B进行电压电流变换。

2、V/I变换(电压电流变换)

如图5所示，经过分压电路幅值缩小和变换的电压信号从最右边运算放大器U3B的3端口输入，然后经过运算放大器U3B和晶体管第五NMOS管Q1变为电流信号Ioi，然后电流信号Ioi流进左边电桥电路后，若InIaS控制端(连接的是电压信号，做控制端，对输出电流方向进行控制，从而实现双向电流源。)给出的激励信号为高电平时，晶体管第四NMOS管Q4A是导通状态，Vcc 高电平经过第二电阻R72之后直接接地，则电桥中的晶体管第三NMOS管Q3A、第二PMOS管Q3B和第二NMOS管Q4B分别的激励端2和5端接地，所以给到电桥中的晶体管第三NMOS管Q3A和第二PMOS管Q3B的激励信号为低电平，晶体管第三NMOS管Q3A、第二PMOS管Q3B和第二NMOS管Q4B为截止状态，而Vcc 高电平给到晶体管第一NMOS管Q2A和第一PMOS管Q2B分别的激励端2和5端高电平，则晶体管第一NMOS管Q2A和第一PMOS管Q2B为导通状态，Ioi则经过晶体管第一NMOS管Q2A之后，从Io1 输出；若InIaS控制端(连接的是电压信号，做控制端，对输出电流方向进行控制，从而实现双向电流源)的激励信号为低电平时，晶体管第四NMOS管Q4A是截止状态，相当于断路，Vcc 的高电平经过第二电阻R72，然后经过晶体管第三NMOS管Q3A和第二PMOS管Q3B分别的激励端口2和5，使晶体管第三NMOS管Q3A和第二PMOS管Q3B处于导通状态，然后从晶体管第二NMOS管Q4B的节点6流向晶体管第二NMOS管Q4B的激励端口5节点，使晶体管第二NMOS管Q4B处于导通状态，则Vcc 的高电平经过电阻R62之后直接接地，则电桥中的晶体管第一NMOS管Q2A和第一PMOS管Q2B分别的激励端2、5为低电平接地，，晶体管第一NMOS管Q2A和第一PMOS管Q2B为截止状态，Ioi则经过晶体管第三NMOS管Q3A之后，从Io1-输出。因此实现了将单片机的输出的电压信号变换为电压伺服阀所需的驱动信号。其中，进入运算放大器U3B3号端口的电压大小为Ao3＝Ao2×(R22/(R12 R22))，其中Ao3是Ao2经过电阻分压电路而得到的电压，根据理想运算放大器U3B的虚短虚断特性，电流信号Ioi的大小可由公式Ioi＝Ao3/第五电阻R52求得。

而经过晶体管电桥后得到的Io1 、Io1-电流值的大小，是根据所需电流的大小，选择不同功率的晶体管得到，电桥上的电阻是根据Vcc 的大小选择的，而Vcc 的取值一般都小于等于20V，Ao2的值最大为3.3V，Vcc 的取值为±12V，采用本发明的电路输出的双向电流源量程为-52mA～ 52mA。

为了将单片机输出的电压信号变换为电压伺服阀所需的驱动信号，该电路在驱动同等阻抗的前提下经过电阻分压将电源电压减半，并且根据需要，适当修改反馈电阻，很容易实现几十毫安到几百毫安(10～500mA)的电流源。由于主电流源为单方向，对电液伺服阀的断线监控更容易，仅需阻容滤波电路(反馈电路)(R15和C15组成的RC滤波电路)。

在电压电流变换电路中，对于双电源变换的电桥电路，不仅可以采用如上所述的电桥电路，还可以采用电桥集成式电路或者整体集成式电路。

其中电桥集成式电路的顶视图引脚配置如图6所示，其内部原理如上面提到的单双向电流变换电路的原理，图6中P1是Q3B、P2是Q2B、N1是Q3A、N2是Q2A，Q4A和Q4B接在外部。

如图7所示，由电液伺服阀驱动信号电路图中电桥部分做成的一个电桥式集成电路，P1D/N1D和P2D/N2D分别接Io1-和Io1 ，P1S/P2S接Vcc ，N1S/N2S接Ioi，P1G和N1G相连，P2G和N2G相连，然后再接入电路中。

本发明有以下技术效果：

1.在采用单电源的条件下，可以实现双向电流源的产生，降低系统的电源复杂性。

2.可以根据需要适当修改反馈电阻，轻松实现10～500mA的量程，适合不同量程的双向电流源，保证电路可以输出满足量程需要的驱动电流，该电路在驱动同等阻抗的前提下电源电压减半，且很容易实现几十毫安到几百毫安的电流源。

3.电路的输入端是单片机，输出电流大小可通过单片机中的DAC(数字模拟转换器)进行控制，从而实现数字可编程，在将单片机输出的电压信号变换为电压伺服阀所需的驱动信号时，电流的分辨率也提高了一倍。

4.电压幅值缩小使用同种特性电阻分压的方式缩小电压幅值，是很容易实现的方式，计算简单，幅值变换后通过运算放大器进行电压电流变换，方便运算，让所得结果更加精确。

5.采用简单的电阻分压方式可以简化电路的复杂性，减少电路中所带来的误差，提高电路精确性。

6.电阻分压以及运算放大器电路可以增加电路的稳定性和可控性。

7.为了采用单电源和取消电路对大功率运算放大器的依赖，主电流源采用单运算放大器 晶体管的单向电流源结构，同时采用晶体管电桥的方式实现电流换向。

8.主电流源为单方向，对电液伺服阀的断线监控更加容易，仅需阻容滤波电路(反馈电路)。

9.采用的电路是晶体管电桥电路和运算放大器，电路构成简单，在同样负载情况下，电源电压更低，而且器件简单，对运算放大器无过高要求，不需要高精度的元器件，降低成本，且功耗更低。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。