一种量子重力仪用的双向恒流源的制作方法

1.本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及一种量子重力仪用的双向恒流源。


背景技术：

2.量子重力仪在原子冷却、囚禁、干涉及探测等周期性工作过程中，磁场控制模块需周期性地控制mot磁场、偏置磁场与补偿磁场，使它们按照一定的时序序列进行通断状态及场强大小的控制切换，以实现对重力传感器内原子团的精密操控。因此，具备快速反馈控制能力、能动态跟踪参考磁场的恒流源必不可少。
3.目前恒流源主要分为数字式恒流源和模拟式恒流源。其中数字式恒流源通过pwm脉宽调制技术控制开关管导通关断，以此改变恒流源输出大小。该种控制方式引入大量谐波，无法满足量子精密测量领域对磁场精确控制的技术要求；模拟式恒流源主要利用半导体功率放大器件在线性放大区的伏安特性，通过改变半导体功率器件基极电压来控制电流输出。该方式使用的半导体功率器件往往封装较大，实现双向可控更是需要两倍的器件数量，既增加了可靠性风险，又不利于产品小型化设计。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的现有数字式恒流源精度不足、模拟式恒流源体积过大的缺点等技术问题，提供一种全新的量子重力仪用的双向恒流源，本发明具备低噪声、高稳定性、体积小的显著特点，能较好满足量子重力仪磁场控制技术要求。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种量子重力仪用的双向恒流源，包括微控制器mcu、数模转换电路、功率放大器n、负载z
l
、阻抗zc、增益g、模数转换电路；微控制器mcu的输出信号经数模转换电路生成的正负参考电压v
ref
流入功率放大器n正端，功率放大器的输出端接负载z
l
后，经过采样电阻rs接地，同时功率放大器n的输出端经过阻抗zc后接入功率放大器n的负端；增益g对采样电阻rs两端电压进行放大后得到反馈电压vf送入功率放大器n的负端，同时所述反馈电压vf经过模数转换电路送入微控制器mcu输入端。
6.进一步的，所述微控制器mcu根据所述反馈电压vf生成相应的电压控制指令，所述电压控制指令通过数模转换电路生成的正负参考电压v
ref
流入功率放大器n正端。
7.进一步的，还包括运算放大器n3，所述运算放大器n3包括三路输入和两路输出，其中第一路输入接基准电压、第二路输入接数模转换电路的输出、第三路输入接增益g的输出，数模转换电路的输出经过运算放大器n3与基准电压作减法生成正负参考电压v
ref
，然后经运算放大器n3的第一路输出流入功率放大器n正端，增益g的输出经过运算放大器n3跟随，然后经运算放大器n3的第二路输出送入模数转换电路的输入端。
8.进一步的，还包括模拟开关d4，所述增益g的输出经过运算放大器n3跟随，然后经运算放大器n3的第二路输出以及模拟开关d4的切换，送入模数转换电路的输入端。
9.进一步的，还包括至少一路运算放大器n32，所述运算放大器n32包括一路输入和一路输出，其中一路输入接数模转换电路输出，对数模转换电路的输出进行放大后，通过一
路输出至运算放大器n3的第二路输入端。
10.本发明的有益效果是：该方案不使用开关管，因此不会像数字式恒流源引入大量谐波，影响输出质量；其次，该方案使用功率放大器op547fktwt，具有体积小的特点；最后该发明只需使用一片功率放大器，即可实现双向恒流源，减少了功率器件数量，提高了可靠性，有利于小型化设计。
附图说明
11.图1为本发明实施例提供的一种量子重力仪用的双向恒流源原理框图；
12.图2为本发明实施例提供的双向恒流源核心电路图；
13.其中：
14.n3：运算放大器，n4：功率放大器，u6：仪表放大器，r36：采样电阻，
15.r26、r27、r28、r32、r34、r35、r631、r632、r633、r631、r701：电阻，c62、c802：电容；
16.图3为模数转换电路图；
17.其中：
18.d4：模拟开关，u14：模数转换芯片，r102、r103、r104、r105、r106:电阻，c134、c135、c136、c137、c138、c139：电容；
19.图4为数模转换电路图；
20.其中：
21.d5：数模转换芯片，n32：运算放大器，r426、r430、r431、r435、r456、r453、r459、r449、r450、r457：电阻，c334、c336：电容，j17：连接器。
具体实施方式
22.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域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，都属于本技术保护的范围。
23.在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.在本技术的描述中，术语“例如”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为“例如”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本技术所公开的原理和特征的最广范围相一致。
25.本发明实施例提供一种量子重力仪用的双向恒流源，如图1所示，包括微控制器mcu、数模转换电路、功率放大器n、负载z
l
、阻抗zc、增益g、模数转换电路。
26.微控制器mcu的输出控制电压指令给数模转换模块，经数模转换电路生成的正负参考电压v
ref
流入功率放大器n正端，利用放大器“虚短”、“虚断”特性得到稳定正负输出电压。功率放大器的输出端接负载z
l
后，经过采样电阻rs接地，同时功率放大器n的输出端经过阻抗zc后接入功率放大器n的负端；增益g对采样电阻rs两端电压进行放大后得到反馈电压vf送入功率放大器n的负端，形成第一级反馈，同时所述反馈电压vf经过模数转换电路转换为电压数据，送入微控制器mcu输入端，在微控制器mcu中通过算法处理，生成对应电压控制指令，该指令通过da转换电路生成参考电压v
ref
，完成第二级反馈控制。
27.该方案不使用开关管，因此不会像数字式恒流源引入大量谐波，影响输出质量；其次，该方案使用功率放大器op547fktwt，具有体积小的特点；最后该发明只需使用一片功率放大器，即可实现双向恒流源，减少了功率器件数量，提高了可靠性，有利于小型化设计。
28.优选的，本实施例所述双向恒流源还包括运算放大器n3，所述运算放大器n3包括三路输入和两路输出，其中第一路输入接基准电压、第二路输入接数模转换电路的输出、第三路输入接增益g即仪表放大器u6的输出，数模转换电路的输出经过运算放大器n3与基准电压作减法生成正负参考电压v
ref
，然后经运算放大器n3的第一路输出流入功率放大器n正端，增益g即仪表放大器u6的输出经过运算放大器n3跟随，然后经运算放大器n3的第二路输出送入模数转换电路的输入端。
29.优选的，本实施例所述双向恒流源还包括模拟开关d4，所述仪表放大器u6的输出经过运算放大器n3跟随，然后经运算放大器n3的第二路输出以及模拟开关d4的切换，送入模数转换器u14的输入端。
30.优选的，本实施例所述双向恒流源还包括至少一路运算放大器n32，所述运算放大器n32包括一路输入和一路输出，其中一路输入接数模转换电路的输出，对数模转换电路的输出进行放大后，通过一路输出至运算放大器n3的第二路输入端。
31.具体的，如图2-4所示，双向恒流源开机时，外部参考输入vout8通过运算发大器n3和ref5v0基准电压作减法，得到具有正负电压范围(例如：-5～+5)的控制信号，该信号提供给功率放大器n4，利用“虚短”“虚断“的特性得到期望中的输出电压coil8+接入线圈(负载)正端，实现双向恒流控制。线圈(负载)负端coil8-经过采样电阻r36接地，形成完整回路。仪表放大器u6采集采样电阻r36上的电压并经过合适的内部增益放大，得到功率放大器端实际输出电压，再将该电压引入功率放大器n4负端形成反馈回路，确保输出电压能稳定跟踪参考电压，获得稳定目标磁场。实际输出电压经运算放大器n3跟随，通过附图3中模拟开关d4的切换，连接到ad芯片u14上，采样得到的数据经处理器中控制算法处理，转变为新的控制电压指令，通过附图4中da芯片d5和运算放大器n32的前端放大，得到新的参考电压vout8，构成第二级反馈控制。最终完成该恒流源的输出控制。
32.同时应当理解的是，本本领域技术人员可以对上述结构进行修改，例如增加多组数模转换器d5以及运算放大器n32，从而在本实施例的基础上扩展出多组双向恒流源。
33.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
34.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围
之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种量子重力仪用的双向恒流源，其特征在于，包括微控制器mcu、数模转换电路、功率放大器n、负载z
l
、阻抗z
c
、增益g、模数转换电路；微控制器mcu的输出信号经数模转换电路生成的正负参考电压v
ref
流入功率放大器n正端，功率放大器的输出端接负载z
l
后，经过采样电阻r
s
接地，同时功率放大器n的输出端经过阻抗z
c
后接入功率放大器n的负端；增益g对采样电阻r
s
两端电压进行放大后得到反馈电压vf送入功率放大器n的负端，同时所述反馈电压vf经过模数转换电路送入微控制器mcu输入端。2.根据权利要求1所述的双向恒流源，其特征在于，所述微控制器mcu根据所述反馈电压vf生成相应的电压控制指令，所述电压控制指令通过数模转换电路生成的正负参考电压v
ref
流入功率放大器n正端。3.根据权利要求1所述的双向恒流源，其特征在于，还包括运算放大器n3，所述运算放大器n3包括三路输入和两路输出，其中第一路输入接基准电压、第二路输入接数模转换电路的输出、第三路输入接增益g的输出，数模转换电路的输出经过运算放大器n3与基准电压作减法生成正负参考电压v
ref
，然后经运算放大器n3的第一路输出流入功率放大器n正端，增益g的输出经过运算放大器n3跟随，然后经运算放大器n3的第二路输出送入模数转换电路的输入端。4.根据权利要求3所述的双向恒流源，其特征在于，还包括模拟开关d4，所述增益g的输出经过运算放大器n3跟随，然后经运算放大器n3的第二路输出以及模拟开关d4的切换，送入模数转换电路的输入端。5.根据权利要求3所述的双向恒流源，其特征在于，还包括至少一路运算放大器n32，所述运算放大器n32包括一路输入和一路输出，其中一路输入接数模转换电路的输出，对数模转换电路的输出进行放大后，通过一路输出至运算放大器n3的第二路输入端。

技术总结
本发明涉及一种量子重力仪用的双向恒流源，包括微控制器MCU、数模转换电路、功率放大器N、负载Z


技术研发人员：谢世煜 陈福胜 毛海岑 陈新文 周嘉鹏 李宸阳
受保护的技术使用者：华中光电技术研究所（中国船舶集团有限公司第七一七研究所）
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/8/14