精密程控恒流源的設(shè)計(jì)

陳以華

文章編號：2095-6835（2017）10-0117-01

摘 要：從恒流源的作用及原理入手，首先介紹了恒流源的分類，而后主要針對程控恒流電源進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以期為其他同行提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：程控恒流源；單片機(jī)；恒壓源；壓控恒流源

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.117

1 恒流源的作用及原理

恒流源一般有2個(gè)作用：①可以作為有源負(fù)載被當(dāng)作高電阻使用。②為放大器提供靜態(tài)電流補(bǔ)償，從而增大放大電路的電壓放大倍數(shù)。這種用法在集成運(yùn)放電路中有非常廣泛的應(yīng)用。恒流源有很多分類，可以程序控制調(diào)整穩(wěn)定電流的一般為壓控恒流源電路，主要是靠程序調(diào)節(jié)控制點(diǎn)的電壓值來調(diào)節(jié)恒流的數(shù)值。

2 程控恒流源的整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由系統(tǒng)供電電源、直流電壓變換電路、恒流源電路、主控單元、外圍輸入輸出電路和擴(kuò)展的恒壓源電路6部分組成，如圖1所示。其中，外圍輸入輸出電路包括鍵盤和LCD顯示屏。運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯是供電電源經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后供電給主控單元，恒流源電路和擴(kuò)展的恒壓源電路作為各自的輸入供電。恒流源電路采用壓控恒流源原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定的功能。ATMEGA16單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控核心，接收鍵盤的輸入信息，將此信息轉(zhuǎn)化為恒流源電路的對應(yīng)控制電壓輸入給恒流源，并通過內(nèi)部的ADC模塊采集監(jiān)測恒流源的負(fù)載電壓，從而判斷恒流源是否達(dá)到了要求，并最終將這個(gè)恒流源的輸出電流值顯示在LCD顯示屏上。

3 主控單片機(jī)單元的選取

本程控恒流源中使用到模數(shù)轉(zhuǎn)化和數(shù)模轉(zhuǎn)化，結(jié)合可靠性及性價(jià)比，選取AVR內(nèi)核具有豐富的指令集ATmega16單片機(jī)來構(gòu)建整個(gè)程控恒流源系統(tǒng)。它擁有32個(gè)與運(yùn)算邏輯單元（ALU）相連接的通用工作寄存器。這樣的結(jié)構(gòu)可以提高代碼效率，因?yàn)樗谝粋€(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)1條指令同時(shí)訪問2個(gè)獨(dú)立的寄存器，與普通的CISC微控制器相比，其最多可以有10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

ATmega16單片機(jī)還具有如下硬件資源：內(nèi)置8路10位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC，1個(gè)SPI總線，1個(gè)I2C總線，1個(gè)USART串行總線，32個(gè)通用I/O口線，3個(gè)具有多種模式設(shè)置功能的定時(shí)計(jì)數(shù)器，支持片內(nèi)及外部中斷，內(nèi)置可編程看門狗電路，支持休眠及待機(jī)等省電模式，16 K系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH/512字節(jié)EEROM以及1 K字節(jié)RAM。

4 壓控恒流源的設(shè)計(jì)

壓控恒流源是系統(tǒng)的重要組成部分，它的功能是用電壓來控制電流的變化。由于系統(tǒng)對輸出電流大小和精度的要求比較高，所以選好壓控恒流源電路顯得特別重要。壓控恒流源電路原理如圖2所示。

該恒流源電路由運(yùn)算放大器、大功率場效應(yīng)管Q1、采樣電阻R2、負(fù)載電阻RL等組成，恒流源電流大小的控制端為UI。這個(gè)電壓是ATmega16單片機(jī)通過程序控制的DAC部件輸出，這樣可以通過程序調(diào)節(jié)DAC輸出控制UI的大小，從而來控制此電流源的電流大小。硬件設(shè)計(jì)電路中用功率場效應(yīng)管IRF640來做控制管，一方面滿足輸出電流2Amax的設(shè)計(jì)要求，另一方面實(shí)現(xiàn)UI電壓線性控制場效應(yīng)管通路電流。這個(gè)電路的工作原理是場效應(yīng)管工作于飽和區(qū)，漏電流Id與電壓Ugs控制的電流是線性關(guān)系。換言之，設(shè)Ud為常數(shù)，滿足Id=f（Ugs）.要想使Id為恒流，只要控制Ugs恒壓即可。在這個(gè)電路中，R2作為取樣電阻存在，用來平衡恒流源的變化以及反饋單片機(jī)ATmega16的信號源。

5 總結(jié)

ATmega16單片機(jī)作為中央控制器，與外置的DAC部件配合，通過鍵盤輸入設(shè)置恒流的數(shù)值，單片機(jī)解析出來對應(yīng)的內(nèi)部數(shù)值，送入外置的DAC部件；DAC部件對應(yīng)輸出相應(yīng)的電壓UI，UI的大小直接決定了壓控恒流源的帶載能力。本系統(tǒng)有功能強(qiáng)、性能可靠、體積小、電路簡單的特點(diǎn)。本系統(tǒng)最大恒流電流可以設(shè)置到2Amax，最小可步進(jìn)1 mA，具有恒流范圍寬、恒流精度好的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕