0 引 言

在測試計量、半導(dǎo)體性能測試等許多工業(yè)和科學(xué)實驗領(lǐng)域都會用到恒流源， 研究并設(shè)計一款智能化的高精度恒流源具有十分廣泛的應(yīng)用價值。但在一個電子產(chǎn)品研制過程中， 必須反復(fù)進(jìn)行設(shè)計、試制和調(diào)試， 而實物試制和調(diào)試是一項費(fèi)時和費(fèi)力的工作， 往往是事倍功半， 導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)周期長， 成本高。隨著大規(guī)模集成電路和計算機(jī)的迅速發(fā)展， 計算機(jī)仿真技術(shù)徹底改變了以往電子系統(tǒng)設(shè)計中完全依靠人工進(jìn)行參數(shù)計算、電路實驗、實物試制和系統(tǒng)調(diào)試的傳統(tǒng)設(shè)計方法， 利用EDA 仿真軟件， 對已存在的系統(tǒng)或設(shè)想中的不同設(shè)計方案在計算機(jī)上進(jìn)行仿真分析，同時與實物試制和調(diào)試相結(jié)合， 從而優(yōu)化元件參數(shù)， 提高系統(tǒng)性能， 最大限度地降低了設(shè)計成本， 縮短了系統(tǒng)研制周期。Proteus 是一款功能強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計輔助類EDA仿真軟件， 采用該軟件對數(shù)控恒流源進(jìn)行設(shè)計、分析、研究和實驗， 可以達(dá)到研制和開發(fā)實際電子產(chǎn)品的目的。

本文研究采用Proteus 仿真軟件， 利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)控恒流源開發(fā)的方法。

1 系統(tǒng)概述

單片機(jī)技術(shù)的普及使電子產(chǎn)品進(jìn)入了智能化時代， 以單片機(jī)為核心的數(shù)控恒流源整體設(shè)計方案如圖1.本系統(tǒng)主要包括矩陣鍵盤輸入模塊、數(shù)控模塊、恒流電路模塊、電流采樣模塊、串口通信模塊、PC 監(jiān)控界面。設(shè)計輸出電流范圍20~ 2 000 mA, 步進(jìn)2 mA.

圖1 數(shù)控恒流源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用矩陣鍵盤作為人機(jī)接口， 從鍵盤輸入設(shè)定電流， 單片機(jī)讀取設(shè)定值， 顯示在LCD 上， 進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后， 將控制信號送給D/ A, 輸出相應(yīng)的電壓值， 再通過V/ I 轉(zhuǎn)換將該電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電流提供給負(fù)載，取樣電路將實際輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓通過A/ D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理顯示在LCD 上， LCD 上同時顯示設(shè)定電流值和采樣值， 以便進(jìn)行比較以及相應(yīng)的控制和調(diào)試。

2 硬件設(shè)計

2. 1 數(shù)控部分設(shè)計

單片機(jī)、矩陣鍵盤和D/ A 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成典型的數(shù)控單元電路， 采用10 位的串行D/A 轉(zhuǎn)換芯片TLC5615 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

獨(dú)立按鍵編程簡單， 但占用I/ O 口資源， 不適合在按鍵較多的場合應(yīng)用。本設(shè)計中需要用到14 個功能按鍵，包括0~ 9 共10 個數(shù)字鍵、"取消"、"確認(rèn)"以及"步進(jìn)加減"按鍵， 在這種情況下如果用獨(dú)立按鍵顯然太浪費(fèi)I/ O口資源， 為此我們引入了矩陣鍵盤。用四條I/ O 線作為行線， 4 條I/ O 線作為列線， 共8 根數(shù)據(jù)線和單片機(jī)接口。

在行線和列線的每個交叉點上設(shè)置一個按鍵， 這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O 口的利用率。

下面以函數(shù)的形式給出了一個簡短而高效的鍵盤掃描程序。

從鍵盤輸入設(shè)定電流值， 并在LCD 的第一行顯示， 單位為mA, 按“確認(rèn)”鍵后， 單片機(jī)將輸入的數(shù)值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量送給D/ A 轉(zhuǎn)換芯片T LC5615。

假設(shè)輸入電流值為m 時對應(yīng)的數(shù)字量為x , 采用10位D/A 的最大控制字為1 023, 為計算方便， 設(shè)滿量程2 000 mA 對應(yīng)的最大數(shù)字量為1 000, 則有比例關(guān)系式( 1)：

根據(jù)上式可知送給T LC5615 的數(shù)字量控制字x 應(yīng)為0. 5 ×m, 且可達(dá)到的輸出最小步進(jìn)值為2 mA, 即電流控制字每變化1, 電流變化2 mA.如果要達(dá)到1 mA 的步進(jìn)值則需要采用12 位的D/A 芯片。

控制字1000 對應(yīng)2 000 mA 電流， 取樣電阻為1 Ω 時即對應(yīng)2 V 電壓輸出， 由于T LC5615 的最大輸出數(shù)字量為1023, 根據(jù)T LC5615 的控制字與輸出電壓關(guān)系式可知：

求得D/ A 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓應(yīng)取U REF= 1. 023 V.

T LC5615 使用固定增益為2 的運(yùn)放緩沖的電阻串網(wǎng)絡(luò)， 把10 位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓， 其輸出電壓范圍為0 V至2×V REFV, 即最大輸出電壓為參考電壓的2 倍。

這里T LC5615 的參考電壓取1. 023 V , 滿量程輸出為2. 046 V, 采用1Ω的取樣電阻時， 最大輸出電流為2 046 mA, 可以滿足設(shè)計要求。[!--empirenews.page--]

為了提高測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性， 采用專用的電壓基準(zhǔn)芯片TL431 為T LC5615 提供基準(zhǔn)電壓， 并在Proteus中進(jìn)行仿真實驗。電路如圖2 所示， 在制作實際電路時，圖中的可調(diào)電阻采用精密多圈電位器。

圖2 電壓基準(zhǔn)電路

2. 2 恒流電路的設(shè)計

恒流電路的主要作用是將數(shù)控部分送來的電壓轉(zhuǎn)換成恒定的電流輸出， 提供給負(fù)載。轉(zhuǎn)換電路由高精度集成運(yùn)算放大器LM358、功率場效應(yīng)管IRF530 和采樣電阻構(gòu)成， 如圖3 所示。將數(shù)控部分的模擬輸出電壓Ui 作為LM358 的輸入量， 取樣電阻的電壓反饋到LM358 的反相輸入端， 該電路構(gòu)成了典型的電流串聯(lián)負(fù)反饋， 根據(jù)反饋理論， 由于集成運(yùn)放的開環(huán)增益很大， 所以該電路為深度負(fù)反饋， 即輸入電壓Ui與取樣電阻R 上的反饋電壓Uf 相等， 可由式(3) 得：

圖3 電流源電路。

即輸出電流IO 只取決于數(shù)控輸出電壓Ui 和取樣電阻R 的大小， 而與負(fù)載無關(guān)， 且負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的功能， 如能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓和精密的取樣電阻， 則可得到紋波很小的恒定電流。仿真結(jié)果表明該電路有很好的恒流效果。實際設(shè)計電路時， 為了達(dá)到更穩(wěn)定的輸出， 可在LM358 和IRF530 之間加入RC 濾波。

仿真實驗表明，LM358( U2:A) 采用+ 5 V 電源供電時達(dá)不到要求的電流。為滿足設(shè)計要求， 可采用+ 12 V直流電源供電。此外，要達(dá)到2 000 mA 的輸出電流， 應(yīng)采用大功率且溫度系數(shù)小的取樣電阻， 對于高精度的應(yīng)用可采用康銅或錳銅絲作為取樣電阻， 如果精度要求不高， 也可采用水泥電阻。

由于集成運(yùn)放不可能提供很高的電流， 因此設(shè)計中采用功率場效應(yīng)管IRF530 進(jìn)行擴(kuò)流， IRF530 在散熱良好的條件下可以提供14 A 的電流， 導(dǎo)通電阻僅為0. 18Ω , 滿足設(shè)計要求。同時需要大功率的電源為其供電， 根據(jù)設(shè)計的最大電流和負(fù)載值來確定電源參數(shù)。經(jīng)仿真實驗， 若負(fù)載在0~ 10 Ω， 采用+ 24 V 電源可以滿足設(shè)計要求， 并有一定余量， 因此實際設(shè)計時可以采用+ 24 V/ 3 A 的直流穩(wěn)壓電源。由于IRF530 漏電流的存在， 最小輸出電流不為零， 仿真實驗表明該值大約在20 mA 左右。

2. 3 電流采樣模塊設(shè)計

電流采樣也就是將實際輸出的電流測量出來并顯示在LCD 上， 其基本原理是采集取樣電阻上的電壓， 并根據(jù)取樣電阻的值將其換算為相應(yīng)的電流， 這里采用10 位串行A/ D 轉(zhuǎn)換芯片T LC1543 采集電壓。為實現(xiàn)高精度的測量， 仍采用TL431 作為電壓基準(zhǔn)， 基準(zhǔn)值為2 V .值得一提的是， 若要求負(fù)載接地， 則負(fù)載和取樣電阻的位置應(yīng)調(diào)換， 此時， 測量取樣電阻兩端電壓時， 需用差分放大器進(jìn)行差分到單端的轉(zhuǎn)換。

2. 4 過流保護(hù)電路

為了防止外界干擾造成瞬間電流過大損毀器件， 設(shè)計過流保護(hù)電路， 采用專用電壓比較器LM311 實現(xiàn)， 比較器的參考電壓根據(jù)最大電流以及取樣電阻的阻值確定， 當(dāng)正常工作時比較器輸出低電平， 過流時輸出高電平， 單片機(jī)根據(jù)監(jiān)測到的電平變化觸發(fā)中斷將輸出電流置零。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括單片機(jī)的C51 編程和PC 端基于LabVIEW 的監(jiān)控程序兩部分。單片機(jī)的C51 編程實現(xiàn)如下功能， 在圖2 中按數(shù)字鍵輸入設(shè)定電流， 之后按" 確認(rèn)"鍵，如輸入錯誤， 可隨時按"取消" 鍵， 取消本次操作; LCD 第一行顯示設(shè)定值， 第二行顯示實際測量值， 如果實測值未達(dá)到所需值， 可以按步進(jìn)加減鍵進(jìn)行微調(diào)， 使輸出值最終滿足要求。軟件設(shè)計的核心是識別鍵值， 并通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理完成數(shù)據(jù)的輸入、顯示和電流控制功能。

圖4 計算機(jī)監(jiān)控界面

通信功能已經(jīng)成為儀器儀表的重要功能之一， 利用串口通信功能， 計算機(jī)可以對恒流源的輸出電流進(jìn)行監(jiān)測，并可以在PC 上對恒流源進(jìn)行遠(yuǎn)端控制。我們采用LabVIEW 編寫了計算機(jī)監(jiān)控程序， 并利用虛擬串口與Proteus 進(jìn)行了通信仿真調(diào)試。PC 端的控制界面如圖4 所示， 設(shè)置好通信參數(shù)后，輸入設(shè)定電流并確定即可， 前面板同時顯示出當(dāng)前儀器實際輸出的電流值。

4 結(jié)束語

經(jīng)過仿真實驗， 在理論上證明了本文所述數(shù)控恒流源設(shè)計方案的可行性。在仿真成功的前提下， 我們設(shè)計并制作了實際電路， 經(jīng)實際測試， 與仿真結(jié)果十分接近， 滿足了設(shè)計要求?？梢娫诮柚鶳roteus 仿真技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計， 可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計的錯誤， 極大的提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本。