一種基于數字控制的直流電流源技術研究*

榮 軍 ，張 敏 ，李一鳴 ，陳 曦

(1.湖南理工學院 信息與通信工程學院，湖南 岳陽 414006；2.湖南理工學院 計算機學院，湖南 岳陽 414006)

直流電流源是電子技術常用的設備，廣泛應用于教學和科研等領域。然而傳統的模擬控制直流電流源功能簡單、精度低、體積大及讀數不方便，在對工作電流穩定度、紋波電流大小等要求較高的領域(如電鍍、精密加工及激光器等)受到了限制。本文設計的基于單片機AT89S52的數控直流電流源很好地解決了以上模擬控制直流電流源的不足，它能輸出穩定直流電流，并且可用數控方式調節和穩定輸出電流。

直流電流源由恒流源、供電電源、數控系統三個部分組成。論文闡明了軟硬件設計依據，給出了系統功能和性能測試結果。

1 數字控制直流電源系統

本文設計了基于AT89S52數控直流電流源，由恒流源、供電系統、數控系統三個部分組成，其數控直流電流源系統框圖如圖1所示。恒流源主調整器采用了LM350、超低噪聲運算放大器AD797和OP07及高性能錳銅采樣電阻等器件構成負反饋電路，實現了對電流的精確控制。供電電源采用LM350、LM337、LM7805作為主穩壓器，為整機提供了穩定的直流供電；控制系統以89S52單片機為核心，高精度12位A/D芯片AD1674實現采樣輸入；12位D/A芯片DAC1230產生控制輸出，實現了輸出電流的精確設定和檢測，系統還設置了串口通信功能。

1.1 恒流源變換電路設計

常見的恒流源電路方案有[1]：脈沖調寬式和線性負反饋方式。其中脈沖調寬式恒流源電路目前應用于空間技術、計算機、通信以及家用電器中。開關電源的調整器應用成本工作在開關狀態，功率損耗小、效率高，可達70%～90%，應用成本比較經濟，但是紋波電流大、輻射干擾強、恒流精度低、設計困難。線性負反饋恒流源電路具有失真小、穩定度高、紋波小等特點，主要應用于高精度場合，由于其設計簡單，被廣泛采用。

線性負反饋恒流源的設計方法有分立元件和集成電器兩種形式[2]，其中分立元件穩流電路有二極管、三極管和電子管穩流等形式，此種恒流電路的器件選擇需要根據輸入輸出的電壓、電流和負載來確定，電路調試復雜。而集成電路恒流源可直接由三端穩壓器或運放構成，電路結構簡單、性能穩定。

1.2 數控電路設計

數控電路組成包括單片機最小系統、A/D采樣輸入電路和D/A控制輸出電路。其中數控直流電流源的控制電路采用單片機最小系統對電路各部分進行控制。最小系統由MCU、采樣輸入、控制輸出、串口通信電路及復位電路、鍵盤、顯示電路組成，單片機最小系統電路如圖2所示。MCU選用ATMEL公司的AT89S52單片機[3]：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS工藝的8位單片機，與標準MCS-51的引腳和指令完全兼容。其外接晶振頻率范圍為 0 Hz～33 MHz，內置 256 B片內 RAM，3個16位定時器/記數器，片內看門狗。其性能好于常用的89C52系列單片機。

時鐘設計要求微處理器采樣周期設置為0.5 s，并且實測值和設定值間隔顯示變換周期約2 s，采用12 MHz晶振，可滿足系統設計要求。數控直流電流源具有鍵盤顯示功能。采用自制鍵盤對電流進行設定，采用兩個四位數碼管交替顯示實測值和設定值，高位顯示標志位，第2位～第5位顯示整數值單位mA，最低位顯示小數位，采用UC7291芯片電路作為顯示控制和驅動端，其優點是顯示位數多、節約I/O端口、使用方便、價格合理。串口通信電路可以方便地與計算機連接，選用MAX232芯片進行計算機遠程在線調節電流大小、讀數、鍵盤鎖定、解除鎖定等功能控制。

A/D采樣輸入電路如圖3所示，為了滿足取樣精度需要，選擇12位A/D轉換器和12位D/A轉換器，使步進小于1 mA。在電路中A/D啟動后，先讀高8位結果，再讀低4位；D/A則先寫入高8位，再寫入低4位。

D/A控制輸出電路如圖4所示，該單片機的輸入信號為經過12位A/D轉換器的數字量，送入單片機處理后產生輸出數字量經D/A轉換器轉換后送入恒流源，因而這種數控恒流源的精度最終取決于電路中A/D、D/A轉換器的轉換精度。設計中采用12位A/D、D/A轉換器，精度可達0.5 mA。

1.3 系統控制算法軟件實現

單片機數字控制能夠實現較模擬控制更為高級、復雜的策略，與模擬控制電路相比較，數字控制電路擁有更多的優點：由數字PID代替傳統的模擬PID，數字PID系統相對于模擬PID系統具有設計周期短、靈活多變、易于實現模塊化管理，能夠消除因離散元件引起的不穩定和電磁干擾等[4]。數字控制系統主程序如圖5所示，主程序的主要工作是進行初始化、掃描鍵盤，并響應鍵盤和設定電流值。

電路中A/D采樣周期為130 ms，當定時器T0中斷后進行一次采樣，單片機處理后，輸出D/A進行調節并顯示。A/D中斷(INTO)，中斷的功能有：讀采樣數據、與設定值比較、控制調整電壓和傳送顯示。設電壓變化為Δ，當前電壓為 Vn，則新的值為 Vn+1=Δ×M。M 為常數，可根據實際電路參數要求設定，而且在程序進行中要考慮到D/A為12位，電壓有上、下限。在顯示時考慮可視性，測量值和設定值交替顯示。定時器中斷程序流程圖如圖6所示。

2 實驗結果及分析

設計指標[5]：輸入電壓 180 V～250 V/50 Hz；輸出電流范圍 20 mA～2 000 mA；具有“+”、“-”步進調整功能，步進≤10 mA；輸出電流絕對值＜輸出電流值的1%，紋波電流＜2 mA。

在給定電流200 mA作用下，負載穩定度曲線圖如圖7所示，其中負載穩定度是指一定的工作情況下，負載變化引起的輸出電流變化。測試數據表明負載電壓在0～10 V變化時，輸出電流最大偏差為2 mA，滿足輸出電流絕對值小于輸出電流值的1%的設計要求。

紋波電流特性如圖8所示，取負載電阻 RL=10 Ω，紋波電流=紋波電壓/負載，從測試結果可以看出負載電流變化引起的紋流變化范圍＜2 mA，其原因是因為所設計的電源輸入和輸出進行了穩壓處理以及進行了高頻濾波，因此紋波特性較為理想，達到了設計指標的要求。

本文設計了基于單片機數字控制的直流電流源，優點為：(1)采用數字化處理和控制，可避免模擬信號傳遞的畸變、失真，減少雜散信號的干擾；(2)該數字控制電路相對于模擬控制電路具有設定準確、輸出電流恒定、可調范圍寬等優點。數字控制直流電流源隨著控制策略不斷完善，將成為直流源電源發展的一個熱點。

[1]何希才.新型穩壓電源及其應用[M]，北京：國防工業出版社，2002.

[2]鄭瓊林，耿文學.電力電子電路精選—常用元器件·實用電路·設計實例[M].北京：電子工業出版社，1996.

[3]孫涵.MCS-51/96系列單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[4]劉華毅，李霞，徐景德.基于單片機的寬范圍連續可調直流穩壓電源[J]，電力電子技術，2001，35(6)：7-9.

[5]曲學基.穩定電源電路設計手冊[M].北京：電子工業出版社，2003.