該數(shù)控直流恒流源采用模塊化，通過開關(guān)和按鈕的設(shè)置，配合INTEL AT89C55單片機(jī)的編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，數(shù)字顯示，同時(shí)用DAC0832實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬控制電壓，再用運(yùn)放和功率三極管組成電流負(fù)反饋系統(tǒng)來完成輸出電流控制及恒定。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制，輸出部分使用運(yùn)算放大器和功率放大器組成深度電流負(fù)反饋大大減少了輸出端的電流波動(dòng)，使系統(tǒng)輸出電流誤差<1mA，紋波電流≤0.2mA。

引 言

恒流源也稱電流源或穩(wěn)流源。能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源稱作恒流源。理想的恒流源其輸出是絕對(duì)不變的，但實(shí)際的恒流源只能在一定范圍內(nèi)保持輸出電流的穩(wěn)定性[1-2]。目前，恒流源被廣泛用于傳感技術(shù)、電子測(cè)量?jī)x器、現(xiàn)代通信、激光、超導(dǎo)等高新技術(shù)領(lǐng)域、并且有良好的發(fā)展前景。

2 系統(tǒng)組成和工作原理

2.1 系統(tǒng)的組成

本數(shù)控恒流源系統(tǒng)可分為單片機(jī)控制部分、變壓整流和供電部分、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、恒流源電路、鍵盤或顯示器接口電路等幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用AT89C55單片機(jī)為核心，控制、比較調(diào)整單元基準(zhǔn)的變化，實(shí)現(xiàn)高精密電壓控制。交流電壓經(jīng)變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓后通過78,79系列穩(wěn)壓管輸出提供電路所需電壓，CPU根據(jù)預(yù)置開關(guān)設(shè)定的數(shù)據(jù)或鍵盤輸入的數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓值，送給DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬電壓，再送主控電路通過反饋控制，使電流穩(wěn)定輸出。在經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出單片機(jī)。由按鈕選擇配合軟件分別實(shí)現(xiàn)設(shè)定值與測(cè)試值的交替顯示。

控制核心采用單片機(jī)INTEL89C55，用此來控制提高了精度，人工干預(yù)自由度大，功能擴(kuò)展，升級(jí)余地比較大，兼容性強(qiáng)，成本低廉，易于制作，生產(chǎn)。采樣部分使用運(yùn)算放大器具有很大的電源電壓控制化，可以大大減少輸出端的紋波電流。顯示部分采用鍵盤/顯示器接口控制器8279，不僅簡(jiǎn)化接口電路，而且還減少了軟件對(duì)鍵盤/顯示器的查詢時(shí)間，提高了CPU的利用率。

3 主要電路設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 變壓整流和供電部分

供電部分輸出200～240V，50HZ的交流電，經(jīng)過變壓器的變壓，整流，濾波，得到系統(tǒng)所需的三種電壓：+5V,+12V,-12V。主要是供數(shù)控部分和D/A轉(zhuǎn)換芯片使用電源，同時(shí)也是穩(wěn)壓輸出電路的主電源。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

對(duì)于濾波電容的選擇，要考慮：整流管的壓降;7812/7912/7815/7805的最小允許壓降為Ud;電網(wǎng)波動(dòng)為10%，所以考慮電容為4700μF/16V。因7815和7812負(fù)載重功率大，所以應(yīng)加裝散熱器;電源為了使輸出的電流紋波≤0.2mA ，在穩(wěn)壓器的輸出端都加上了濾波器，來除去電流的紋波。

圖2 變壓整流和供電部分的系統(tǒng)框圖

3.2 恒流源電路

單片機(jī)的輸出經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，經(jīng)過雙運(yùn)放集成塊放大后，再經(jīng)過MOS管(2SK1062，N溝道)引入深度電流負(fù)反饋。引入電流負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電流，提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，擴(kuò)展頻帶，減小非線性失真[3]。采用場(chǎng)效應(yīng)管的優(yōu)點(diǎn)是雙極性晶體管輸出幾乎是不可取電流，而MOS管電壓與電流控制范圍好，應(yīng)而輸出電阻較高，并且低噪聲抗輻射，熱穩(wěn)定性以及功耗小等優(yōu)點(diǎn)。電路如圖3所示

圖3 恒流源電流

場(chǎng)效應(yīng)管與BJT最基本的差別在于場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件，輸出漏極電流是由輸出柵極電壓控制的?？鐚?dǎo)定義為：

(1)

式中：Id為輸出電流 ，Vgs為輸出電壓。從柵極看進(jìn)去的輸入電阻近似為無窮大，漏極電流可以忽略不計(jì)。負(fù)載電阻改變及紋波電流的抑制均由深度電流負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)。輸出電流范圍在0.02～2A，如取樣電阻Rs為5Ω，則輸出電壓在0.1～10V之間進(jìn)行改變。改變負(fù)載電阻Rf時(shí)，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，輸出電流變化范圍為≤輸出電流值1%+1mA。供電采用+12V電壓供電，用一個(gè)4.7μF的電解電容和一個(gè)0.1μF的瓷片電容去耦。

3.3 數(shù)控部分

89C51單片機(jī)基本系統(tǒng)：數(shù)控核心采用89C55單片機(jī)與EEPROM ,RAM，地址鎖存器74LS373組成單片機(jī)的基本系統(tǒng)，并對(duì)P2口的P2.0經(jīng)74LS138地址譯碼后作為8279的選通信號(hào)。在89C51引腳X1和X2接入晶振Y1和微調(diào)電容C5,C6就構(gòu)成了時(shí)鐘電路，值為12MHZ[4-5]。

系統(tǒng)采用了上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電復(fù)位要求接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。手動(dòng)復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，操作按鈕開關(guān)10使單片機(jī)復(fù)位。上電自動(dòng)復(fù)位通過外部復(fù)位電容C4的充電來實(shí)現(xiàn)。按鍵手動(dòng)復(fù)位是通過復(fù)位端經(jīng)電阻和Vcc接通來實(shí)現(xiàn)。

鍵盤為8×2按鍵式鍵盤，當(dāng)有按下時(shí)，向CPU申請(qǐng)中斷，CPU在中斷程序中讀取鍵盤編碼，作相應(yīng)處理。0-9號(hào)按鍵用來輸入0.02～2A的預(yù)置電流，在輸出端輸出相對(duì)應(yīng)的電流，10號(hào)按鍵為單片機(jī)手動(dòng)復(fù)位清零鍵。

鍵盤/顯示接口電路：在設(shè)計(jì)鍵盤/顯示接口電路時(shí)，使用8279鍵盤/顯示控制器，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤的自動(dòng)掃描，并對(duì)顯示器進(jìn)行自動(dòng)刷新。

4 電路測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試方法

測(cè)試所用儀器：數(shù)字萬用表，外接220V交流電源，低頻毫伏表。測(cè)試方法框圖如圖4所示。圖中RL為負(fù)載電阻，RS為取樣電阻，0.5Ω。

用萬用表測(cè)1和2兩端的值為實(shí)測(cè)電流值;用低頻毫伏表測(cè)3和4兩端的值為輸出紋波電壓值。誤差百分率測(cè)試：為了比較測(cè)量值和真實(shí)值的誤差，我們?cè)?0～2000mA之間選定了六個(gè)值相比較，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄如表1所示，誤差百分率計(jì)算公式為：

(2)

式中：I1為顯示值，I2為測(cè)量值。

圖4 測(cè)試方法框圖

4.2 測(cè)試結(jié)果記錄

負(fù)載為5Ω時(shí)，輸出電流預(yù)置值、顯示值和測(cè)試值的對(duì)照表，見表1所示。

表1 顯示值與測(cè)量值對(duì)照表(RL=5Ω)

當(dāng)改變負(fù)載電阻（RL=20Ω）時(shí)對(duì)恒流值的影響，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　當(dāng)RL=20Ω時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

4.3 誤差分析

從測(cè)量結(jié)果來看，系統(tǒng)的誤差主要來源于：

⑴ 運(yùn)算放大器和MOS管的電流放大倍數(shù)不夠大或者不穩(wěn)定;

⑵D/A 轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器存在一定的量化誤差;

⑶取樣電阻可能因溫度的變化引起了誤差;

⑷基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)漂引起的誤差。

5 結(jié)論

本文是以AT89C55單片機(jī)為核心控制部件，通過由運(yùn)算放大器和功率放大電路組成電流負(fù)反饋系統(tǒng)，來完成輸出電流的控制和恒定，從而提高了系統(tǒng)的精度。它的輸出電流可在0.02～2A之間變化，隨負(fù)載和環(huán)境溫度變化較小。該系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、成本低、功耗小、可靠性高,具有較為廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。