开源高等级校准器：电流源0至40mA，0.001%的设计

云深无际

发布于 2026-06-09 20:14:42

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昨天写了一篇残稿是关于 MMB 这个产品的，适用于工业场景的快速校准。

百元校准器：MMB 万用表伴侣（残稿篇）

除了压流，就是一些温度的模拟了

比较丰富

然后分辨率是这样的

是不是，看着还行？（其实不行，这里面的数据展开就不嘻嘻了），那有没有适合普通人的 DIY 产品呢？其实从来也不缺。

https://www.elektormagazine.com/labs/voltage-current-calibrator-0-to-10v-and-0-to-40ma-0001

这是最原始的地址。

开电压电流校准仪

大概这这样

参数：

电压输出：0 至 ±10V。 电压步进：20μV 分辨率。 电流输出：0 至 40mA。 电流步进：100nA 分辨率。 整体精度：在 21°C 时为 10ppm（即0.001%）。

项目	MMB校准器	AD5791 校准源项目
电压分辨率	10 µV / 0.1 mV / 1 mV	约 20 µV
10 V 点误差	约 ±3 mV	目标 10 ppm，即 10 V 约 ±100 µV
电流分辨率	1 µA	标称 100 nA，硬件约 200 nA 级
20 mA 点误差	约 ±6 µA	明显更高，但依赖老化/校准/热设计
主要用途	工业现场校准	精密电压/电流源原型

（和 MMB 简单对比一下，详细分析之后补充）

这个设计的器件是重要的，基准采用 MAX6350ESA 5V 低漂移基准源，配合低噪声运放 AD8676 产生 ±10.48V 基准；DAC选用 AD5791（20位、1ppm 线性度），大幅简化了软件校准流程；电流源由仪表运放 AD8276、PZT1222 晶体管及 100Ω 超低温漂精密电阻（0.2ppm/°C）构成。

布局是比较重要的

当然了，韩老师也有设计过这个东西：

性能更好

高端的东西朴实无华，就是堆料

总之韩老师这个校准器的性能嘎嘎猛

聊聊设计

DC 输出的话，直流链没什么好说的，基准和电阻，关键是看看电流源吧，这个新奇。

就这部分

看设计是“DAC 设定电压 + AD8276 差分伺服 + Q1 串联调整管 + R10 精密采样电阻”闭环压控电流源，想输出电流：

原设计中：

所以：

也就是：

另外这个精密电流源主要由 U7 AD8276、Q1 PZT2222、U8 AD8677、R10 100Ω 组成，Q1 提供负载电流，电流流过 R10、继电器、负载后回到地；R10 上的电压被测量并和 AD5791 的 DAC 设定电压比较，输出电流为，电流被软件限制到 40 mA，以减少 R10 和 Q1 发热造成的漂移。

先看电流路径

在电流模式下，继电器 K1 把输出端切到电流源路径，电流大致这样流：

+12V
  │
  │
 Q1 PZT2222A
  │
  │
 R10 = 100Ω 精密采样电阻
  │
  │
 K1 继电器触点
  │
  │
 J6 输出端
  │
  │
 外部负载
  │
  │
 J7 / GNDA

所以它是一个 高边串联调整型电流源，Q1 像一个可调阀门，R10 是检测电流的标准电阻，AD8276 + AD8677 负责闭环控制这个阀门。

AD8276 是“差分伺服”

AD8276 是单位增益差分放大器，内部有 4 个激光修调的 40 kΩ 电阻，适合做高 CMRR 的差分检测和伺服控制。

它的标准差分关系可以理解为：

在这个电流源里，大致连接关系是：

AD8276 +IN ← DAC 缓冲输出 VDAC AD8276 -IN ← GNDA AD8276 REF ← U8 缓冲后的 R10 下端电压 AD8276 OUT → Q1 基极 AD8276 SENSE ← Q1 发射极 / R10 上端

所以闭环目标变成：

也就是：

而 R10 两端电压就是：

所以闭环最终强迫：

于是得到：

这就是整个电流源的核心。

AD8677 缓冲 R10 下端电压

U8 AD8677 看起来接成了电压跟随器，检测 R10 下端电压，然后把这个电压送到 AD8276 的 REF 脚。

为什么要这样做？

因为 R10 不是直接接地的，它下面还接着继电器、输出端、负载；负载电压会变化，所以 R10 的下端不是固定 0 V，若只把 R10 上端和地比较，就会把负载电压混进去，电流就不准。

U8 的作用是把 R10 下端电压作为“参考基准”送给 AD8276，于是 AD8276 控制的是 R10 两端的差分电压，而不是某个点对地的电压，让系统真正控制：

而不是控制：

Q1 PZT2222A 的作用：功率调整管

AD8276 本身不能输出 40 mA 给负载，它只是控制器。真正提供负载电流的是 Q1， NPN 管，接法类似射极跟随器：

这个管子老演员了，忘了上次看到是什么时候

collector → +12V base → AD8276 输出 emitter → R10 上端

AD8276 输出升高，Q1 基极升高，Q1 发射极电压升高，通过 R10 和负载的电流增大,反之 AD8276 输出降低，Q1 导通变弱，电流减小。

闭环会自动调节 Q1，直到：

所以 Q1 的、电流增益、温漂不会直接决定输出电流精度。它们主要影响：需要多少基极驱动电流，剩余合规电压，发热，以及环路稳定性。

真正决定电流比例的是：

和：

为什么用 AD8276，而不用普通运放直接比较？

看着就是一个减法器？因为 R10 两端有共模电压，而且这个共模电压会随负载变化，比如输出 20 mA，负载是 100 Ω：

R10 上的压降为：

那么 R10 两端可能大约在 2 V 和 4 V 附近，而不是 0 V 和 2 V；负载换了以后，R10 两端的共模电压也会变。

AD8276 能把 R10 两端的差分电压提取出来，同时抑制共模；数据手册说明 AD8276/AD8277 是单位增益差分放大器，内部电阻经过激光修调，具有高 CMRR 和低增益漂移；典型应用也包括电压/电流测量以及电流源。

为什么电流只限制到 40 mA？

因为 R10 是 100 Ω，电流越大，R10 自热越明显。

40 mA 时：

45 mA 时：

这对一个精密 100 Ω 电阻来说已经不小，即使 R10 标了很低的 TCR，实际仍然会有自热温升，导致阻值变化。

电流源的比例关系是：

所以 R10 只要变一点，电流就跟着变。

如果 R10 变化：

那么电流相对误差近似为：

文档中还强调 R10 的温度系数要很低，并且 Q1 要远离 R10 和参考源，是非常合理的。

合规电压怎么估算？

这个电流源由 +12 V 供电，最大负载电压不是无限的；在电流路径中至少要消耗：Q1 的 VCE 余量，R10 上的压降，继电器/走线压降，以及外部负载电压，总之阻性器件都会损失一些电压。

近似有：

忽略继电器压降，取：

40 mA 时：

如果 Q1 至少需要 0.5 V 到 1 V 余量，那么：

也就是大约：

所以 40 mA 时最大负载电阻大约是：

到：

实际还要扣掉继电器触点、导线、Q1 发热后的余量，所以工程上不要按极限设计，总之就是低压电流校准源，适合校准 DMM 电流档、示波器/模块输入、低阻负载，但不适合驱动高阻负载。

分辨率怎么来的？

AD5791 使用约 ±10.48 V 参考时，DAC 步进约为：

经过 100 Ω 转换为电流：

所以从硬件单码角度看：

文档标称 100 nA 分辨率，更像是显示/设定分辨率或软件层面的输入粒度；如果严格按计算，硬件自然步进约为 200 nA。原文档也说 DAC 参考约 ±10.48 V，步进约 20 µV。

误差主要来自哪里？

这个电流源的误差可以写成：

展开近似：

主要误差源包括：AD5791 输出误差和噪声，AD8276 失调、CMRR、增益误差，AD8677 失调和漂移，R10 绝对误差、温漂、自热，Q1 发热影响附近温度；继电器触点电阻和热电势，PCB 走线压降，输出保护器件漏电，软件校准误差。

但是其中最关键的是：R10 的 Kelvin 采样，以及R10 自热，AD8276 的共模误差，最后才是DAC 设定电压准确度（地表最强了）

为什么需要电流校准？

因为 AD8276 的系统失调是百微伏级，数据手册中，B 级系统失调典型 100 µV、最大 200 µV；增益误差最大也可到 0.02%；折算到 100 Ω 电流源：

这比 100 nA 或 200 nA 的设定分辨率大很多，所以这类电流源不能靠初始精度直接达到目标，必须做软件校准。

电流模式用 10 µA 和 30 mA 两点校准，就是为了校掉偏移和增益误差。

设计的闭环过程

设用户想输出：

软件计算 DAC 电压：

然后闭环发生：AD5791 输出 2 V，U6 缓冲这个 2 V，AD8276 看到 +IN = 2 V，-IN = 0 V，U8 把 R10 下端电压送到 AD8276 REF，AD8276 驱动 Q1 基极，Q1 改变通过 R10 和负载的电流，当 R10 两端电压 = 2 V 时，环路平衡；电流稳定为 2 V / 100 Ω = 20 mA。

这个电流源设计得好在哪里？

它的优点是：电流由 VDAC/R10 决定，公式简单，DAC 可编程，电流连续可调；AD8276 做差分伺服，能处理 R10 两端共模变化；Q1 承担功率，控制芯片不直接带负载，R10 用低 TCR 精密电阻，适合校准源；继电器切换电压/电流模式，漏电小。

如何改进？

把R10 换成四端精密采样电阻；现在图上是 1206，虽然标了 0.2 ppm/℃，但 40 mA 时有 0.16 W 自热。更好的的设计应可使用四端 Kelvin 精密电阻，而且个人看0.1 W 不够，建议 0.5 W 或 1 W 余量；基本电阻要求是低 TCR，低热电势，最后需要远离 Q1、LDO、DC-DC、继电器线圈这些东西。

也可以提高合规电压，如果想让 40 mA 驱动更高负载，可以把 Q1 供电从 +12 V 提高，比如 +18 V 或 +24 V。

算电流设定、R10 功耗和负载合规范围：

I =   1.0 mA
  VDAC / VR10 = 0.1000 V
  R10 power   = 0.10 mW
  Vload max   = 11.10 V
  Rload max   = 11100.0 ohm
I =  10.0 mA
  VDAC / VR10 = 1.0000 V
  R10 power   = 10.00 mW
  Vload max   = 10.20 V
  Rload max   = 1020.0 ohm
I =  20.0 mA
  VDAC / VR10 = 2.0000 V
  R10 power   = 40.00 mW
  Vload max   = 9.20 V
  Rload max   = 460.0 ohm
I =  30.0 mA
  VDAC / VR10 = 3.0000 V
  R10 power   = 90.00 mW
  Vload max   = 8.20 V
  Rload max   = 273.3 ohm
I =  40.0 mA
  VDAC / VR10 = 4.0000 V
  R10 power   = 160.00 mW
  Vload max   = 7.20 V
  Rload max   = 180.0 ohm