双灯故障诊断自动切换的快速稳定恒流源系统技术方案

本发明专利技术涉及一种双灯故障诊断自动切换的快速稳定恒流源系统，包括控制处理、可控恒流源、双灯切换和电源四个模块，电源模块分别连接控制处理模块、可控恒流源模块和双灯切换模块，四个模块分别组成数字+模拟双闭环快速稳定恒流源电路和双灯故障控制检测+自动切换两个功能电路。本发明专利技术提出的数字+模拟双闭环电路，解决了现有恒流驱动卤钨灯稳定时间长、恒流源调试过程复杂等问题；双灯故障控制检测+自动切换无须控制，当工作灯出现故障时，能够自动切换备用灯作为光源，避免了现有仪器采用控制机械开关进行备用灯切换时的开合抖动和过冲而影响电路工作不稳定；提高了工作效率，降低了使用成本和运行费用。

A Fast and Stable Constant Current Source System with Automatic Switching for Dual-lamp Fault Diagnosis

The invention relates to a fast and stable constant current source system for automatic switching of dual-lamp fault diagnosis, which includes four modules: control processing module, controllable constant current source module, dual-lamp switching module and power supply module. The power supply module is connected with control processing module, controllable constant current source module and dual-lamp switching module respectively. The four modules are composed of digital+analog double closed-loop fast and stable constant current source circuit and dual-lamp fault control detection. + Automatic switching of two functional circuits. The digital + analog double closed-loop circuit of the invention solves the problems of long stability time and complex debugging process of the existing constant current drive halogen tungsten lamp; the double lamp fault control detection + automatic switching need not be controlled; when the working lamp fails, the standby lamp can be automatically switched as the light source, thus avoiding the switching on and off of the standby lamp when the existing instrument adopts the control mechanical switch to switch the standby lamp. Motion and overshoot affect the instability of circuit work, improve work efficiency, reduce the cost of use and operation.

【技术实现步骤摘要】
双灯故障诊断自动切换的快速稳定恒流源系统
本专利技术涉及一种电子测量及控制、光谱分析及仪器定标等光源稳流供电的电路，尤其是适用于要求供电快速稳定、备用灯自动切换的仪器，特别是便携式光谱仪、机载高光谱的光源系统。
技术介绍
现有的恒流源技术成熟，采用基于标准电压的负反馈放大电路，通过比较标准电压与采样反馈电压，调整放大电路输出，从而控制负载电路中的电流恒定。通过改变标准电压，可实现恒流源的输出量的控制，称其为可控恒流源。精度和稳定性是恒流源的重要技术指标，目前国内外恒流源的稳定性、精度等指标均已经达到0.1％以上。但对恒流源的稳定调节时间，就目前研究而言关注度不大，资料显示的有：天水康采测控技术研究所曾滨(1994年)研发的高精度恒流源，稳定性可达到±0.005％，但是在10分钟内会出现电流缓慢上升或者下降的趋势；苏州大学吴茂成(2011年)研制的高精度宽范围恒流源输出电流为1uA-1A,精度为0.152％，稳定性为0.047％，预热时间为10min；在上世纪，便已经进行恒流源研究，但尚无恒流源快速稳定的研究报道。PID控制是常用的一种闭环调节控制方法，但在恒流源系统中，PID算法的应用并未明显提高恒流源的精度和稳定性。常州工学院鲍玉军等人(2013)设计的PID算法的变负载高稳定恒流源，输出电流0～2000mA，精度、恒流稳定性均达到0.1％。而且PID为动态调整，分析可知其调节快速性很难保证。此外，对于需要备用灯的仪器，其双灯切换常采用机械开关或模拟开关，二者对比，模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点。为方便控制，常采用可控机械开关继电器，其开关频率低、开关切换时，由于开合抖动和电流过冲会对工作电路的稳定性造成影响，引入噪声；且有机械疲劳和安全隐患。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对光谱仪光源光谱稳定性高、稳定时间短的要求，而现有恒流源存在工作前期缓慢变化而造成的稳定时间长问题，提供一种输出电流可控的“数字+模拟双闭环”快速稳定恒流源，其为通过“数字+模拟双闭环”的方式实现的一种能够快速稳定的可控恒流源。通过双闭环电路的大预置值启动快速预热、双闭环PID粗调快稳和单闭环稳流的三段工作模式，加快调节过程，快速达到电流稳定状态。同时，本专利技术的另一个目的是针对仪器工作灯和备用灯的切换采用控制机械开关时存在开合抖动和过冲而影响电路工作不稳定问题，提供一种双灯故障控制检测+自动切换的电路，利用场效应管的导通特性，实现工作灯自动故障检测和切换，无须控制器控制，只有在备用灯故障检测时需要控制，从而避免在供电系统工作时进行继电器的开合，影响仪器工作的稳定性。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种双灯故障诊断自动切换的快速稳定恒流源系统，包括控制处理、可控恒流源、双灯切换和电源四个模块，电源模块分别连接控制处理模块、可控恒流源模块和双灯切换模块，四个模块分别组成数字+模拟双闭环快速稳定恒流源电路和双灯故障控制检测+自动切换两个功能电路；所述的控制处理模块，包括微处理器、标准电压输出端、电压采集端1、电压采集端2、控制信号端、状态信号端、串行通讯接口、电源端UC组成，其中微处理器包括MPU、DAC、双通道ADC电路、串口、IO口；DAC通过IO口与标准电压输出端连接；双通道ADC通过IO口分别与电压采集端1、电压采集端2连接；串口与串行通讯接口连接；控制信号端、状态信号端与微处理器的IO口连接；微处理器的电源口与电源端UC连接；所述的可控恒流源模块，由差分放大电路、采样电阻、反馈电路、标准电压输入端、反馈电压端、负载接口正负端、电源端UI组成，该模块为模拟闭环的恒流源电路，当标准电压输入端接入一标准电压，其输出的电流值为标准电压与采样电阻的比值，差分放大电路两个输入端：标准电压端和反馈电压端分别与标准电压输出端、反馈电路输出端相连，其输出端与采样电阻一端连接；反馈电路的两个输入端分别与采样电阻的两端相连，其输出端和差分放大电路的反馈电压输入端、反馈电压端连接；负载接口正端与电源端UI连接、负载接口负端与采样电阻一端串行连接；电源UI正负端分别与差分放大电路、反馈电路的正负供电端连接；所述的双灯切换模块，由双灯并联电路、负载接口正端、负载接口负端、电压采样端2、继电器控制端和电源端UDL组成，双灯并联电路的一路由工作灯与继电器K串联，另一路由备用灯与场效应管Q串联；电源端UDL分别与继电器K的电源端、场效应管Q的栅极G连接；负载接口正端与工作灯、备用灯连接端连接，负载接口负端与继电器K的开关端、场效应管Q的漏极D、电压采样端2连接；继电器控制端与继电器K的控制端引出；所述的电源模块，分别与处理控制、双灯切换和可控恒流源三个模块通过电源端连接，为其它三个模块提供所需的供电电压。可控恒流源模块的标准电压输入端与控制处理模块的标准电压输出端连接，反馈电压端与控制处理模块的电压采集端1连接，负载接口正负端与双灯切换模块的负载接口正负端连接；控制处理模块的电压采集端2、控制信号端分别与双灯切换模块的电压采样端2和继电器控制端连接，状态信号端和串行通讯接口分别与外部控制器或上位机连接，向外部提供当前的工作状态。所述的数字+模拟双闭环快速稳定恒流源电路，由可控恒流源模块、控制处理模块、双灯切换模块的一路有效负载、电源模块组成；可控恒流源模块的标准电压输入端与控制处理模块的标准电压输出端连接，反馈电压端与控制处理模块的电压采集端1连接，负载接口正负端与双灯切换模块的负载接口正负端连接；三个模块通过电源端与电源模块相连。数字+模拟双闭环快速稳定恒流源电路，通过如下三个阶段的工作模式达到稳流状态：A、大预置值启动快速预热：①状态信号端输出端置为0，表明该系统未处于稳定状态；②DAC赋较大值DDA0；增大标准电压，使系统快速热稳定，其中DDA0由式(1)计算：式中，n为DAC的位数，I0为负载初始电流，其值为负载光源最大负载电流Imax与工作电流I之间的较大值，在不超过Imax的情况下，取I的120％，RS为采样电阻的阻值，UDA为DAC的最大输出电压；B、双闭环PID粗调快稳：分时启动PID环节进行快速粗调，步骤如下：①i＝1，启动ADC1采集处理，得采样电阻的采样电压的测量值DSi，并通过公式(2)计算得负载电流IS与工作电流I的误差ei：式中，m1为ADC1的位数；UAD为ADC的最大输入电压；②启动比例和微分环节，根据电流误差ei，以比例和微分两个环节按公式(3)调节DAC的赋值DDA：Δi＝KP·ei+KD(ei-ei-1)(3)其中：kP、kD分别为为比例和微分系数，分别按PD参数调节基本规则确定取值；则对应DDAi由公式(4)计算：控制DAC转换器输出电压，使输出电流误差e尽快达到要求，加快调节过程，当输出电流误差e达到1％I要求时，结束PD调节，进入步骤③；否则i＝i+1，ADC1采集得DSi，按式(2)计算电流误差ei，继续循环本步骤；③i＝1，设置预计调节时间，开始计时；④PID环节调节DDAi。启动积分环节，消除比例和微分环节调节产生的净差，DDAi误差调整值Δi按式(5)确定：其中：kI为积分系数，按PID参数调节基本规则确定取值，按公式(4)计算本次PID调整后的DDAi，当调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双灯故障诊断自动切换的快速稳定恒流源系统，包括控制处理、可控恒流源、双灯切换和电源四个模块，其特征在于，电源模块分别连接控制处理模块、可控恒流源模块和双灯切换模块，四个模块分别组成数字+模拟双闭环快速稳定恒流源电路和双灯故障控制检测+自动切换两个功能电路；所述的控制处理模块，包括微处理器、标准电压输出端、电压采集端(1)、电压采集端(2)、控制信号端、状态信号端、串行通讯接口、电源端UC组成，其中微处理器包括MPU、DAC、双通道ADC电路、串口、IO口；DAC通过IO口与标准电压输出端连接；双通道ADC通过IO口分别与电压采集端(1)、电压采集端(2)连接；串口与串行通讯接口连接；控制信号端、状态信号端与微处理器的IO口连接；微处理器的电源口与电源端UC连接；所述的可控恒流源模块，由差分放大电路、采样电阻、反馈电路、标准电压输入端、反馈电压端、负载接口正负端、电源端UI组成，该模块为模拟闭环的恒流源电路，当标准电压输入端接入一标准电压，其输出的电流值为标准电压与采样电阻的比值，差分放大电路两个输入端：标准电压端和反馈电压端分别与标准电压输出端、反馈电路输出端相连，其输出端与采样电阻一端连接；反馈电路的两个输入端分别与采样电阻的两端相连，其输出端和差分放大电路的反馈电压输入端、反馈电压端连接；负载接口正端与电源端UI连接、负载接口负端与采样电阻一端串行连接；电源UI正负端分别与差分放大电路、反馈电路的正负供电端连接；所述的双灯切换模块，由双灯并联电路、负载接口正端、负载接口负端、电压采样端(2)、继电器控制端和电源端UDL组成，双灯并联电路的一路由工作灯与继电器K串联，另一路由备用灯与场效应管Q串联；电源端UDL分别与继电器K的电源端、场效应管Q的栅极G连接；负载接口正端与工作灯、备用灯连接端连接，负载接口负端与继电器K的开关端、场效应管Q的漏极D、电压采样端(2)连接；继电器控制端与继电器K的控制端引出；所述的电源模块，分别与处理控制、双灯切换和可控恒流源三个模块通过电源端连接，为其它三个模块提供所需的供电电压。可控恒流源模块的标准电压输入端与控制处理模块的标准电压输出端连接，反馈电压端与控制处理模块的电压采集端(1)连接，负载接口正负端与双灯切换模块的负载接口正负端连接；控制处理模块的电压采集端(2)、控制信号端分别与双灯切换模块的电压采样端(2)和继电器控制端连接，状态信号端和串行通讯接口分别与外部控制器或上位机连接，向外部提供当前的工作状态。...

【技术特征摘要】
1.一种双灯故障诊断自动切换的快速稳定恒流源系统，包括控制处理、可控恒流源、双灯切换和电源四个模块，其特征在于，电源模块分别连接控制处理模块、可控恒流源模块和双灯切换模块，四个模块分别组成数字+模拟双闭环快速稳定恒流源电路和双灯故障控制检测+自动切换两个功能电路；所述的控制处理模块，包括微处理器、标准电压输出端、电压采集端(1)、电压采集端(2)、控制信号端、状态信号端、串行通讯接口、电源端UC组成，其中微处理器包括MPU、DAC、双通道ADC电路、串口、IO口；DAC通过IO口与标准电压输出端连接；双通道ADC通过IO口分别与电压采集端(1)、电压采集端(2)连接；串口与串行通讯接口连接；控制信号端、状态信号端与微处理器的IO口连接；微处理器的电源口与电源端UC连接；所述的可控恒流源模块，由差分放大电路、采样电阻、反馈电路、标准电压输入端、反馈电压端、负载接口正负端、电源端UI组成，该模块为模拟闭环的恒流源电路，当标准电压输入端接入一标准电压，其输出的电流值为标准电压与采样电阻的比值，差分放大电路两个输入端：标准电压端和反馈电压端分别与标准电压输出端、反馈电路输出端相连，其输出端与采样电阻一端连接；反馈电路的两个输入端分别与采样电阻的两端相连，其输出端和差分放大电路的反馈电压输入端、反馈电压端连接；负载接口正端与电源端UI连接、负载接口负端与采样电阻一端串行连接；电源UI正负端分别与差分放大电路、反馈电路的正负供电端连接；所述的双灯切换模块，由双灯并联电路、负载接口正端、负载接口负端、电压采样端(2)、继电器控制端和电源端UDL组成，双灯并联电路的一路由工作灯与继电器K串联，另一路由备用灯与场效应管Q串联；电源端UDL分别与继电器K的电源端、场效应管Q的栅极G连接；负载接口正端与工作灯、备用灯连接端连接，负载接口负端与继电器K的开关端、场效应管Q的漏极D、电压采样端(2)连接；继电器控制端与继电器K的控制端引出；所述的电源模块，分别与处理控制、双灯切换和可控恒流源三个模块通过电源端连接，为其它三个模块提供所需的供电电压。可控恒流源模块的标准电压输入端与控制处理模块的标准电压输出端连接，反馈电压端与控制处理模块的电压采集端(1)连接，负载接口正负端与双灯切换模块的负载接口正负端连接；控制处理模块的电压采集端(2)、控制信号端分别与双灯切换模块的电压采样端(2)和继电器控制端连接，状态信号端和串行通讯接口分别与外部控制器或上位机连接，向外部提供当前的工作状态。2.按照权利要求1所述的双灯故障诊断自动切换的快速稳定恒流源系统，其特征在于，所述的数字+模拟双闭环快速稳定恒流源电路，由可控恒流源模块、控制处理模块、双灯切换模块的一路有效负载、电源模块组成；可控恒流源模块的标准电压输入端与控制处理模块的标准电压输出端连接，反馈电压端与控制处理模块的电压采集端(1)连接，负载接口正负端与双灯切换模块的负载接口正负端连接；三个模块通过电源端与电源模块相连。3.按照权利要求1所述的双灯故障诊断自动切换的快速稳定恒流源系统，其特征在于，数字+模拟双闭环快速稳定恒流源电路，通过如下三个阶段的工作模式达到稳流状态：A、大预置值启动快速预热：①状态信号端输出端置为0，表明该系统未处于稳定状态；②DAC赋较大值DDA0；增大标准电压，使系统快速热稳定，其中DDA0由式(1)计算：式中，n为DAC的位数，I0为负载初始电流，其值为负载光源最大负载电流Imax与工作电流I之间的较大值，在不超过Imax的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智宏，孙澎勇，千承辉，王豫喆，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22