引言

隨著當(dāng)前電子產(chǎn)業(yè)日新月異的進(jìn)步，很多電子產(chǎn)品對(duì)電流源的要求也提高了。

本文介紹的電流源是以微控制器為核心，系統(tǒng)由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和功率放大器組成。單片機(jī)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)控制功率放大器輸出電壓，通過(guò)取樣電阻和A/D轉(zhuǎn)換器回檢負(fù)載電流，采用積分控制方法，調(diào)節(jié)電流輸出。該系統(tǒng)輸出直流電壓≤15V，輸出電流范圍為100mA～3000mA。本系統(tǒng)具有多種保護(hù)功能(開(kāi)路、過(guò)載等)，可以通過(guò)編輯鍵盤(pán)的方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流的大小，輸出電流值會(huì)在數(shù)碼管上顯示;本系統(tǒng)同時(shí)也有多種工作方式，可作為單機(jī)使用，比較方便，也可與主機(jī)連接，在主機(jī)上的界面可以設(shè)置電流的輸出值，當(dāng)與主機(jī)通過(guò)串口連接時(shí)，本系統(tǒng)的其他參數(shù)也會(huì)傳輸給主機(jī)，如以上提到的保護(hù)功能參數(shù)，使得主機(jī)的控制更加靈活。

1、設(shè)計(jì)基本要求

在輸入交流電壓為200V～240V、頻率為50HZ的情況下，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)控直流電流源，具體要求如下：系統(tǒng)輸出直流電壓≤15V，輸出電流要大于100mA小于3000mA，其具備顯示給定的電流輸出值;具有步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)值為±20mA;通過(guò)改變負(fù)載的大小，能使輸出的電壓值保持15V以內(nèi)的變化，其精度的要求是絕對(duì)值的輸出電流變化應(yīng)該小于等于系統(tǒng)輸出參數(shù)的5%+10mA.

2、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

該系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)整體框圖

2.1、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的選取

在本系統(tǒng)中DAC0832其實(shí)可以最少達(dá)到7.5mA以上的行程量，只要達(dá)到100個(gè)采樣數(shù)據(jù)，其余的不怎么用的采樣可以去被除，本系統(tǒng)我們所要求的輸出電流范圍是100~3000mA;數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)數(shù)量決定了步進(jìn)量的大小，例如也可以選擇8位或8位以上的數(shù)模轉(zhuǎn)換器;因?yàn)镈AC0832的特性，它在實(shí)現(xiàn)電流到電壓的切換時(shí)需要在后端加一個(gè)跟蹤器，因它是輸出型的轉(zhuǎn)換器。

設(shè)計(jì)要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的5%+10mA。，要達(dá)到這一要求，也需要8位以上的A/D轉(zhuǎn)換器。同時(shí)考慮到數(shù)字反饋的速度，要求A/D轉(zhuǎn)換器的速度不能低。而TLC549為8位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為17uS，最大誤差為±0.5LSB，所以A/D轉(zhuǎn)換器選擇8位串行輸出的TLC549。

2.2、功率放大器的選取

設(shè)計(jì)要求最大輸出電流2A，最大輸出電壓15V，則最大輸出功率達(dá)到30W。首先，只能選擇線性功放，而不可選擇D類(lèi)功放;其次，功放的容量也要求足夠大。以50%來(lái)考慮功放的效率，則至少需要選擇60W功率輸出的功放，考慮到裕量和穩(wěn)流能力，功放功率要求還要高;綜合這些因素，選擇了80W大功率運(yùn)算放大器LM12。

2.3、調(diào)節(jié)算法分析

本系統(tǒng)輸出值不穩(wěn)定時(shí)，它應(yīng)該可以隨時(shí)調(diào)節(jié)自身的參數(shù)以達(dá)到穩(wěn)定的輸出;因數(shù)據(jù)采樣反應(yīng)的時(shí)間受到A/D采樣的速度以及軟件調(diào)節(jié)的速度限制，數(shù)據(jù)采樣有時(shí)候不一定就比模擬反饋的速度快。而對(duì)于低速的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)講，反饋調(diào)節(jié)的軟件耗時(shí)更成為調(diào)節(jié)速度的瓶頸。

通過(guò)分析控制理論系統(tǒng)，有一種調(diào)節(jié)手段是可以全面速度型及穩(wěn)定無(wú)差性的采用，那就是積分加比例，而本系統(tǒng)并不一定適用;該方案使用的高度密集采樣去控制，因控制的對(duì)象是電流，主芯片為51系列單片機(jī)，如使用常數(shù)比例控制，它的高速性將完全丟失，同時(shí)還要無(wú)法被阻擋的去做乘法計(jì)算，使得單片機(jī)的時(shí)間將被極大的消耗。

2.4、抑制紋波的措施

1、從電源變壓器考慮需要進(jìn)行濾波，因工頻的擾動(dòng)主要從這里進(jìn)入的，因此需要在電源側(cè)進(jìn)行濾波，同時(shí)這也是非常必須的和非常有用的，該方案的兩個(gè)電源都采用有效的濾波方案，可以采用三極管的方式。

2、通過(guò)同軸電線的連接可以使PCB之間的模擬信號(hào)傳輸，該方案中的PCB之間有兩處模擬信號(hào)的連通，D/A轉(zhuǎn)變器提供功率放大電路的輸入信號(hào)和取樣電阻兩端輸出至A/D轉(zhuǎn)換器的取樣電壓信號(hào)。

3、采用供電電源是高電壓，同時(shí)功率放大器的功率要必須大，系統(tǒng)的輸出電流是基本全部從自身的功率放大器，其功率和負(fù)載的大小、紋波的波動(dòng)對(duì)輸出電流有很大的影響，所以功率放大器的功率需要充足的大，電源供應(yīng)的電壓盡量提升。因此，本設(shè)計(jì)選用80W大功率放大器LM12，并以±30V供電。

4、注意電路板的地線的處理。各電路板地線都敷銅加粗，接地遵循多點(diǎn)接地和就近接地的原則。

2.5、數(shù)控電路的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字控制電路的常用方案就是用主芯片8051去控制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化器DAC0832的方式來(lái)使用，當(dāng)主芯片一邊監(jiān)控按鍵盤(pán)一邊就會(huì)顯示目前的輸出電壓值，同時(shí)向數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化器輸出目前的設(shè)定值;當(dāng)按鍵盤(pán)中的控制輸出電壓的加減鍵被操作時(shí)，主芯片便對(duì)設(shè)置的值進(jìn)行相應(yīng)的增加操作，同時(shí)將變化后的設(shè)置值傳輸給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，刷新輸出電壓為目前設(shè)定值。

通過(guò)取樣電阻采樣與AD620放大后，送入TLC549，其時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)給出，通過(guò)適當(dāng)?shù)某绦蚣右钥刂?，TLC549通過(guò)串口輸出數(shù)字量給單片機(jī)，單片機(jī)接收后通過(guò)程序控制并加以顯示，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控過(guò)程。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1、程序結(jié)構(gòu)

為了讓盡可能多的CPU時(shí)間來(lái)進(jìn)行反饋控制，程序盡量精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，只完成必要的簡(jiǎn)單的輸入輸出。采樣控制算法放在0.5ms中斷中，只進(jìn)行A/D采樣、比較判斷和D/A輸出。鍵值處理放在外部中斷中，顯示刷新放在主循環(huán)中，以較低的刷新率進(jìn)行顯示刷新。同時(shí)程序中盡量不做乘除法或浮點(diǎn)運(yùn)算。環(huán)中，以較低的刷新率進(jìn)行顯示刷新。同時(shí)程序中盡量不做乘除法或浮點(diǎn)運(yùn)算。

3.2、流程圖

圖2 程序設(shè)計(jì)流程圖

4、測(cè)試結(jié)果

表1測(cè)試表

從表中數(shù)據(jù)可知，最大誤差為0.43%小于1%的誤差范圍，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

5、結(jié)論

在設(shè)計(jì)制作數(shù)控直流電流源的過(guò)程中，深刻感受到理論和實(shí)踐的重要性。本方案的設(shè)計(jì)主要使用到了模擬控制技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、功率放大器及電源的設(shè)計(jì)、電子生產(chǎn)工藝等多方面的知識(shí)，所設(shè)計(jì)的基于8051主芯片軟件控制的直流電流源，滿足了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。最后的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明，該方案的輸出電流比較穩(wěn)定，對(duì)負(fù)載和環(huán)境溫度等因素的影響變化較小，輸出的精度高，輸出電流的誤差范圍±15mA，輸出電流可在100mA~3000mA幅度內(nèi)隨意設(shè)定，因此可以實(shí)際使用于需求高穩(wěn)定的小功率電流源方面。