數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)分析

呂秀強(qiáng)，曹樂樂

1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001

2.南京瑞智電氣科技有限公司，江蘇 南京 211100

0 引言

低紋波、高精度、穩(wěn)定的直流電流源是一種非常重要的專用電源，在現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用。普通電流源通常采用電位器調(diào)節(jié)，輸出電流值不能實(shí)現(xiàn)精確的步進(jìn)。雖然部分電流源可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控，但輸出電流值往往較小。為此，文章結(jié)合單片機(jī)技術(shù)及變換電路，采用反饋調(diào)整控制方案設(shè)計(jì)了一種新型基于單片機(jī)高精度數(shù)控直流電流源。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 恒定電流源模塊方案

文章所設(shè)計(jì)的線性恒流源電路具有集成線性運(yùn)放的功能。該方案所采用的恒流源電路由N溝道的MOSFET運(yùn)算放大電路、采樣電阻等組成。由于功率場(chǎng)效應(yīng)管的恒流特性與電路具有電流反饋功能，使得電流電路的工作更加精確[1-2]。其中，電流源由微型處理器單片機(jī)與恒流源電路組成。通過鍵盤可以設(shè)定初始電流值，控制器在D/A轉(zhuǎn)換電路的作用下將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器電路來控制電流值，同時(shí)輸出電流值。此外，可使用采樣電阻變成電壓信號(hào)傳送給控制器與初始預(yù)值進(jìn)行比較，這樣構(gòu)成的調(diào)節(jié)方式為反饋調(diào)節(jié)[3]。該方案可以實(shí)現(xiàn)該課題的基本需求，當(dāng)負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，具有良好的穩(wěn)定性和精確度。該課題可實(shí)現(xiàn)的最大輸出電流為2 A，最大輸出電壓為10 V，且輸出電流的紋波較小。

1.2 數(shù)控模塊方案

控制模塊采用AT89C52單片機(jī)，該單片機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)算能力較強(qiáng)、軟件的編程較靈活。芯片上的程序可以通過ISP進(jìn)行快速下載。該程序的更新比較簡(jiǎn)單，同時(shí)可以充分發(fā)揮C語言的靈活性，其編程可以實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 顯示模塊方案

采用點(diǎn)陣式128×64液晶屏顯示器顯示輸入、輸出值，顯示數(shù)據(jù)可視面積較大、畫面效果好。此外，其體積較小可以節(jié)約空間資源，且功耗低，可以節(jié)約控制器軟件資源。

1.4 鍵盤模塊方案

模塊標(biāo)準(zhǔn)采用4×4鍵盤，使用矩陣行列掃描方式。若鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，將按鍵排列成矩陣形式不僅可以減少單片機(jī)的I/O端口占用數(shù)量，還可以直接連續(xù)調(diào)整并不斷完善輸入電流值，滿足設(shè)計(jì)需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 恒定電流源電路設(shè)計(jì)

為了滿足上述設(shè)計(jì)要求，恒定電流源輸出電流的范圍設(shè)置為200～2 000 mA（輸出直流電壓≤10 V），采用復(fù)合達(dá)林頓管的功率放大器和OP07相結(jié)合的方案，控制輸出電流，其主要電路如圖1所示。

圖1 恒定電流源圖

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）時(shí)鐘電路。為了單片機(jī)正常工作，必須由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)內(nèi)部有時(shí)鐘振蕩電路，如圖2所示。在51單片機(jī)中，時(shí)鐘電路產(chǎn)生有內(nèi)部時(shí)鐘模式和外部時(shí)鐘模式兩種，在設(shè)計(jì)中一般選用石英晶體振蕩器。晶體振蕩器具有頻率穩(wěn)定性，振蕩器在電源延遲約10 ms后啟動(dòng)，并在XTAL2引腳上產(chǎn)生振幅約為3 V的正弦波時(shí)鐘信號(hào)。振蕩頻率主要由石英晶體振蕩器的頻率決定，電路中石英晶體振蕩器的頻率為12 MHz。電容器C1和C2有兩個(gè)功能：幫助振蕩器啟動(dòng)；微調(diào)振蕩器的頻率。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘電路圖

（2）復(fù)位電路。當(dāng)AT89C52單片機(jī)的RST被高電平復(fù)位信號(hào)增強(qiáng)時(shí)，微控制器在內(nèi)部執(zhí)行復(fù)位操作。當(dāng)復(fù)位信號(hào)變低時(shí)，微控制器開始執(zhí)行程序。在實(shí)際操作中，通常有兩種復(fù)位方法，一種是通電復(fù)位，另一種是復(fù)位模式，對(duì)電源和按鈕均有效。上電復(fù)位要求微控制器在通電后自動(dòng)工作，通常當(dāng)程序出錯(cuò)時(shí)，電路可以隨時(shí)復(fù)位。

2.3 D/A和A/D電路設(shè)計(jì)

（1）D/A 轉(zhuǎn)換器。在設(shè)計(jì)過程中，利用DAC模塊提供高精度的參考電壓，即將CPU輸出的二進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10 V的模擬電壓，再送入誤差放大器，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)基本要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)課題的擴(kuò)展功能要求，200～2 000 mA以1 mA的步長(zhǎng)，需要的級(jí)數(shù)可查閱相關(guān)公式，因此應(yīng)采用12位D/A轉(zhuǎn)換器作為D/A轉(zhuǎn)換芯片，文章選擇Proteus組件庫中提供的LTC1456芯片。

（2）A/D 轉(zhuǎn)換器。反饋的核心是A/D模塊。采用Proteus組件庫中的TLC2543芯片，TLC2543芯片是一種低功耗、低電壓2位的串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近技術(shù)，完成最大A/D轉(zhuǎn)換，最大非線性誤差小于1 LSB，轉(zhuǎn)換時(shí)間為9 μs。該轉(zhuǎn)換器有3個(gè)輸入控制端，因此可以通過一個(gè)簡(jiǎn)單的3線SPI串行接口很容易地連接到微型計(jì)算機(jī)。

3 軟件程序總體流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、步進(jìn)加減、鍵盤掃描、液晶顯示等基本功能，程序可以通過鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)D/A輸出電壓的預(yù)值設(shè)置，以及對(duì)負(fù)載兩端的電流大小的測(cè)量，從而通過鍵盤的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路電流的控制，并將電流在液晶顯示器上顯示。系統(tǒng)在加上外電壓時(shí)，先完成的是系統(tǒng)的初始化程序，其中包括I/O接口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)置以及變量的賦值等。完成系統(tǒng)初始化后打開中斷系統(tǒng)，隨之進(jìn)入鍵盤的掃描程序，通過鍵盤掃描獲取賦值，根據(jù)賦值完成預(yù)值電流設(shè)定、步進(jìn)加減，并通過液晶顯示器顯示電流值。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為控制器，調(diào)整主電路的輸出電流，并通過液晶顯示器顯示輸出的電流值，完成了數(shù)控恒流源的制作，實(shí)現(xiàn)了輸出電流的可調(diào)與步進(jìn)的加減，可以較好地滿足系統(tǒng)的基本需求。通過分析，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)輸出電流不夠時(shí)，可將DA基準(zhǔn)電壓調(diào)成1.02 V，將AD基準(zhǔn)電壓調(diào)到4.096 V。

（2）開始把A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換模塊分開設(shè)計(jì)時(shí)，輸出值的跳動(dòng)較大，紋波大；將兩個(gè)模塊放在一塊電路板上時(shí)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

（3）DA/AD轉(zhuǎn)換關(guān)系是通過計(jì)算把對(duì)應(yīng)關(guān)系賦予單片機(jī)，提高了系統(tǒng)測(cè)量值的精確性。

（4）輸入15 V電壓的導(dǎo)線有電阻，導(dǎo)致負(fù)載電阻加大，可能引起測(cè)量值的誤差。

（5）使用萬用表時(shí)，其內(nèi)阻可能引起誤差。

（6）電容濾波不夠，導(dǎo)致整個(gè)電路不太穩(wěn)定。

（7）當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，整體溫度過高，部分電學(xué)元器件可能產(chǎn)生溫度漂移現(xiàn)象。

（8）存在外部信號(hào)干擾，如周邊的強(qiáng)電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)導(dǎo)致誤差。