基于STM32的高精度0～24 mA恒流源的設(shè)計(jì)

徐巧玉，趙傳鋒，2，王軍委，馮 倩，李 鵬

(1．河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003；2．92292部隊(duì)，山東青島 266000；3．洛陽(yáng)銀杏科技有限公司，河南洛陽(yáng) 471000)

0 引言

當(dāng)今自動(dòng)化儀器儀表設(shè)備的安裝調(diào)試與維護(hù)，精密電阻的檢測(cè)等，主要利用0～24 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流作為信號(hào)源。同時(shí)，許多模擬傳感器的電路和儀表也需要恒流源提供激勵(lì)信號(hào)，由于傳感器激勵(lì)信號(hào)一般都在mA級(jí)，極小的電流偏差也將造成很大的影響，因此要求作為激勵(lì)信號(hào)的恒流源具有較高的精度和穩(wěn)定性。

目前市場(chǎng)上的恒流源主要基于VXI、PCI以及PXI等工業(yè)總線[3]，如Agilent公司的E1328A、國(guó)內(nèi)航天測(cè)控公司的AMC4401A以及哈工大測(cè)控研究所研制的PCI恒流源，雖然所述恒流源在精度和穩(wěn)定度方面均能達(dá)到指標(biāo)要求，但成本較高、體積大、攜帶不方便。凌力爾特公司生產(chǎn)的基于A/D轉(zhuǎn)換芯片的LT3092，體積小、電流輸出范圍較大，但精度不高。

針對(duì)高精度便攜式恒流源的需求，提出了一種基于STM32的便攜式恒流源的設(shè)計(jì)。該恒流源能夠提供高精度的0～24 mA恒流，在0～24 mA范圍內(nèi)輸出可調(diào)，并且該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度高、體積小便于攜帶。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由電源模塊、STM32控制核心?？臁-I轉(zhuǎn)換電路模塊和TFT_LCD模塊組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，電源模塊主要完成系統(tǒng)所需供電電壓的轉(zhuǎn)換；STM32控制核心模塊以STM32F103VCT6為系統(tǒng)的微處理器，主要負(fù)責(zé)控制AD5062轉(zhuǎn)換芯片向V-I轉(zhuǎn)換電路提供電壓、控制TFT_LCD顯示和系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)；V-I轉(zhuǎn)換電路模塊應(yīng)用運(yùn)算放大器、復(fù)合管和精密電阻等完成電壓電流的轉(zhuǎn)換；TFT_LCD模塊通過(guò)FSMC總線與STM32通信，是系統(tǒng)人機(jī)界面的重要組成部分。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

通過(guò)TFT液晶的虛擬按鍵可設(shè)定輸出電流大小，STM32根據(jù)液晶虛擬按鍵設(shè)定的輸出值，通過(guò)SPI總線控制AD5062的輸出電壓，此電壓作為V-I轉(zhuǎn)換電路模塊的輸入電壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器、限流電阻、復(fù)合管和精密電阻后輸出電流，達(dá)到恒流輸出的目的。

由恒流源電流的產(chǎn)生過(guò)程可知，恒流源的誤差主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：A/D芯片基準(zhǔn)電壓的精度和溫漂帶來(lái)的誤差、運(yùn)算放大器本身的噪聲和電阻的阻值變化引起的誤差。該電路設(shè)計(jì)從器件的選型到電路的PCB設(shè)計(jì)考慮，盡量減小隨機(jī)誤差帶來(lái)的影響，保證恒流源的穩(wěn)定性。

2 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)主要包含4個(gè)模塊，文中分別對(duì)各模塊的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2．1電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用USB供電和單節(jié)鋰電池供電兩種供電模式，可以根據(jù)使用需求進(jìn)行選擇，如圖2所示。當(dāng)USB斷開，開關(guān)SW閉合時(shí)，MOS管Q1導(dǎo)通，則由電池供電電壓VBAT為系統(tǒng)供電；當(dāng)USB接通，開關(guān)SW接通時(shí)，MOS管Q1截止，由USB電壓VCC_USB為系統(tǒng)供電。電源模塊包含有電池充電電路，當(dāng)采用USB供電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到給電池充電。

圖2 供電選擇電路

針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電壓需求，電源模塊包含15 V、3．3 V、2．5 V和-2．5 V等多種電壓轉(zhuǎn)換電路，其中5 V轉(zhuǎn)3．3 V的電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，采用電流紋波較小的電壓轉(zhuǎn)換芯片RT8008，此芯片具有高于95%的轉(zhuǎn)換效率和2．5～5．5 V的寬范圍輸入電壓，輸出電壓的可調(diào)節(jié)范圍從0．6 V～VIN，固定頻率為1．5 MHz，芯片內(nèi)部有濾波環(huán)節(jié)。

圖3 3．3 V電壓轉(zhuǎn)換電路

2．2STM32控制核心模塊

系統(tǒng)選用STM32F103VCT6作為系統(tǒng)的控制核心，它性能穩(wěn)定、功能完備、成本低，是開發(fā)小型控制系統(tǒng)核心控制芯片的首選[4]。在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)控制A/D轉(zhuǎn)換芯片為V-I電路提供輸入電壓、控制人機(jī)交互界面和系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)。

STM32通過(guò)FSMC與液晶模塊連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。根據(jù)恒流源需求，通過(guò)SPI總線控制AD5062為V-I電路提供輸入電壓。當(dāng)設(shè)定輸出電流時(shí)，STM32通過(guò)改變寄存器的數(shù)據(jù)來(lái)控制AD5062的輸出電壓。AD5062是一款單通道、全精度、16位、無(wú)緩沖電壓輸出DAC，最大積分非線性誤差(INL)為1 LSB，該器件采用多功能三線式串行接口，能夠以最高30 MHz的時(shí)鐘速率工作，并與標(biāo)準(zhǔn)SPI接口標(biāo)準(zhǔn)兼容，在5 V時(shí)的功耗降至1 μA，功耗較低，AD5062的基準(zhǔn)電壓通過(guò)外部REF引腳獲得。

AD5062的輸出電壓的變化主要受基準(zhǔn)電壓源的影響，為了提高穩(wěn)定性，選用REF192作為AD5062的基準(zhǔn)電壓芯片，REF192精密帶隙基準(zhǔn)電壓源采用溫度漂移曲率校正專利電路，并對(duì)高穩(wěn)定性薄膜電阻進(jìn)行激光調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)極低的溫度系數(shù)和較高精度。

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)出現(xiàn)電路故障，由STM32的ADC分別對(duì)電池電壓VBAT、STM32供電電壓3．3 V和15 V電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

2．3V-I轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計(jì)

V-I轉(zhuǎn)換電路模塊等效電路如圖4所示，由運(yùn)算放大器、復(fù)合管、精密電阻和反饋調(diào)節(jié)電路組成。恒流產(chǎn)生的具體流程為：STM32根據(jù)觸摸屏預(yù)置的輸出電流大小調(diào)節(jié)AD5062的輸出電壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器后產(chǎn)生基極電流，馱載在靜態(tài)電流上，通過(guò)復(fù)合管得到放大了的發(fā)射極電流，經(jīng)過(guò)精密電阻后輸出電流。

圖4 V-I轉(zhuǎn)換電路

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，作用在上產(chǎn)生差分電壓并通過(guò)儀表放大器后連接到的反相輸入端，構(gòu)成線性負(fù)反饋式電路，具有失真小、穩(wěn)定度高、紋波小等特點(diǎn)。負(fù)反饋調(diào)節(jié)電路通過(guò)線性調(diào)節(jié)V-I轉(zhuǎn)換電路的正相端輸入電壓，從而保證其具有恒定的輸出電流。負(fù)反饋電路選用一款低成本、高精度儀表放大器AD620，它僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，增益范圍為1～10 000。

由運(yùn)算放大器的特性可知：

Vdac=V2

(1)

式中：Vdac為A/D芯片的輸出電壓；V2為反饋電壓。

由于儀表放大器RG引腳不連接，由儀表放大器增益計(jì)算公式G=49．4 kΩ/RG+1，可知儀表放大器的增益為1，V2為R7兩端的差分電壓。

由圖4可知

V1=I1R6+Ube+IoutR7

(2)

Iout=(1+β)I1

(3)

式中：Iout為恒流源輸出電流；β為晶體管的放大倍數(shù)。

由式(1)、式(2)和式(3)可知，輸出電流值只與輸入電壓和采樣電阻有關(guān)，而輸入電壓主要受AD5062的基準(zhǔn)電壓影響。

V-I轉(zhuǎn)換電路中采樣電阻的精度和穩(wěn)定性直接影響輸出電流的質(zhì)量，溫度變化和時(shí)效變化都會(huì)使電阻的阻值發(fā)生變化。為了獲得高精度的輸出電流，該電路采用精度為1‰，溫度系數(shù)5 ppm/的精密金屬膜電阻，有效地克服了采樣電阻對(duì)輸出電流質(zhì)量的影響；采用運(yùn)算放大器OP07，它具有高增益、低溫漂、高分辨率、較好線性度、較高阻抗等特點(diǎn)，其失調(diào)電壓漂移0．5 μV/℃，能夠有效地減小運(yùn)放電路對(duì)輸出電流穩(wěn)定性的影響。為了避免系統(tǒng)啟動(dòng)和預(yù)置電流值時(shí)的振蕩，電阻后又接入了性能良好的電容，起到穩(wěn)壓作用。

2．4TFT_LCD模塊

系統(tǒng)的TFT_LCD模塊選用3．0寸英的四線制的電阻式觸摸屏，它是一款性能優(yōu)良的高分辨率顯示模塊，400×240分辨率，256 K顏色顯示，色彩逼真，廣泛應(yīng)用于嵌入式儀器儀表、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、智能家居等領(lǐng)域，有使用簡(jiǎn)單、速度快、顯示效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中微處理器與TFT通信，控制液晶屏的顯示，構(gòu)建一個(gè)高性能低功耗的中文人機(jī)界面[5]，通過(guò)液晶屏的虛擬按鍵可以調(diào)節(jié)輸出電流的大小。

3 實(shí)驗(yàn)

恒流源的輸出電流由于受到模擬電路和數(shù)字電路器件、供電、環(huán)境等因素的影響，必然存在輸出誤差。該系統(tǒng)在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，采用軟件補(bǔ)償對(duì)輸出電流進(jìn)行了校正。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性及實(shí)施方案的結(jié)果，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

恒流源電流輸出的主功能界面和系統(tǒng)信息界面如圖5所示。主功能界面顯示系統(tǒng)預(yù)置輸出電流大小為13．00 mA，并且輸出電流的大小可通過(guò)液晶屏底部的4個(gè)虛擬按鍵進(jìn)行調(diào)整。由系統(tǒng)信息界面可知，3．3 V電壓的監(jiān)測(cè)值為3．29 V，15 V電壓的監(jiān)測(cè)值為15．47 V，系統(tǒng)溫度為30．25 ℃，固件版本為0．0．0．build083，開機(jī)次數(shù)為48等信息。

圖5 主功能界面和系統(tǒng)信息界面

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)采用吉時(shí)利2000型六位半高性能數(shù)字多用表對(duì)恒流源的輸出電流進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)預(yù)熱20 min，當(dāng)電路內(nèi)部溫度達(dá)到平衡后，再開始測(cè)量，調(diào)節(jié)電流從0～24 mA遞增，每隔1 h測(cè)量1次，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 恒流源測(cè)試數(shù)據(jù) mA

由于隨機(jī)誤差的存在，各測(cè)量值均存在一定的誤差，由表1可知，13個(gè)量值的最大標(biāo)準(zhǔn)差為0．000 492 mA，小于0．5 μA，數(shù)值較小，因此本系統(tǒng)方案的測(cè)量精度比較高、穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了基于STM32的便攜式高精度壓控恒流源，利用ARM微處理器控制數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換芯片AD5062快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出電流調(diào)節(jié)的目的，另外應(yīng)用高性能的運(yùn)算放大器、精密的金屬電阻等元器件構(gòu)建了恒流源V-I轉(zhuǎn)換電路，應(yīng)用儀表放大器構(gòu)建的線性反饋調(diào)節(jié)電路使輸出電流更加穩(wěn)定。由實(shí)驗(yàn)可知，該設(shè)計(jì)的恒流源輸出電流最大標(biāo)準(zhǔn)差低于0．5 μA，具有較高的精度，克服了現(xiàn)在市場(chǎng)上的電流源體積大，成本高，工作狀態(tài)不穩(wěn)定等弊端，能夠滿足模擬傳感器提供激勵(lì)信號(hào)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳軍根，隋昆．高功率電動(dòng)汽車電池測(cè)試系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2011(12)：35-37．

[2]徐小濤．?dāng)?shù)字電源技術(shù)及其應(yīng)用．北京：人民郵電出版社，2011．

[3]王永虹，徐煒．STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008．

[4]陳志奇，黃偉志，張攀．基于ARM和LabVIEW的嵌入式振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2012(9)：42-45．

[5]邸興．基于STM32的便攜式人機(jī)界面系統(tǒng)．電子工程設(shè)計(jì)，2011，24(10)：23-26．

作者簡(jiǎn)介：徐巧玉(1979—)，博士，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量，圖像處理及嵌入式測(cè)試測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)開發(fā)等方面的研究。E-mail：xiaoyu0622@163．com

趙傳鋒(1986—)，在讀碩士研究生，主要從事嵌入式測(cè)試測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)開發(fā)方面的研究。E-mail：392567613@qq．com