一種高精度閉環數控直流電流源的研制

柴西林， 史亞盼， 杜麗霞(.西北師范大學 知行學院，甘肅 蘭州 730070；.蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070)

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一種高精度閉環數控直流電流源的研制

柴西林1， 史亞盼1， 杜麗霞2
(1.西北師范大學 知行學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070)

基于直流電流源的原理，以AT89S52單片機為中心控制器，利用按鍵設置電流的輸出值，通過單片機將該電流值送數碼管顯示；同時，通過D/A轉換器DAC0808的數據通信端口將輸出電流的數字量送入D/A轉換器，轉換為模擬量后輸出，再通過U/I轉換電路得到穩定輸出的電流。經過實驗測試，該數控電流源具有很高的精度值，可滿足多種電流源的實驗要求，且具有性能可靠、步進精度高、電路簡單易懂、成本低廉等優點。

數控； 電流源； AT89S52； DAC； 步進

0 引 言

恒流電源是為電流型負載提供穩定電流的重要儀器[1]。這種電源設計不但要能滿足各系統對電源的不同要求，并且還要能保證整個系統穩定工作[2]。目前使用的直流電流源大部分都是利用分立器件組成，其體積大、效率低、可靠性差、操作使用不方便、自我保護功能不夠完善和故障率較高[3-4]。隨著電子技術的發展，產品數字化智能化已成為必然趨勢。目前，市售數控電流源產品多以硬件線性負反饋式控制、軟件非線性校正的方法輸出電流，控制方法簡單，但是校正程序復雜，電流所需的動態調整時間較長，特別是此類電流源效率不高[5-8]。常見的電流源一般只具有單一的電流值，或有限的幾檔電流值，通用性不強，且穩定性和可靠性較低[9-10]。以單片機系統為核心而設計的新一代數控直流電流源不但電路簡單、結構緊湊、價格低廉，而且單片機具有計算和控制能力，可對各種采樣數據進行處理，控制其輸出電路，從而可減少或排除由于干擾信號引起的輸出電流波動，提高輸出電流的穩定性。本文提供了一種數控直流電流源的設計方案，以STC89C52單片機為核心控制電路，利用8位D/A模塊產生穩定的控制電壓。輸出電流范圍為0～2 A，具有“+”、“-”步進調整功能，步進為10 mA，紋波電流小，數碼管同時顯示預置電流值和實測電流值，便于操作和進行誤差分析。

1 設計要求與總體方案

1.1 系統設計要求

該設計中數控直流電流源要求輸入交流電壓值為200～240 V，50 Hz；要求輸出直流電壓值≤10 V。其主要技術指標：①輸出電流范圍0～2 A；②可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值≤給定值的1%+10 mA；③具有“+”、“-”步進調整功能，步進10 mA；④改變負載電阻，輸出電壓在10 V以內變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1%+10 mA。根據設計任務，詳細分析數控高精度直流電流源的設計需求，并進行軟硬件的總體設計。

1.2 系統設計總體方案

按照系統設計要求，在保證實現的基礎上，要盡可能降低系統成本。整個系統從功能上劃分為5個模塊，如圖1所示。主控模塊采用AT89S52單片機作為整個系統的控制單元，通過改變D/A轉換器的輸入數字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發生變化，間接地改變輸出電流的大小。電流源模塊采用壓控電流源(U/I變換電路)，通過改變電流源的外圍電壓，利用電壓的大小來控制輸出電流的大小。電壓控制電路采用數控的方式，利用單片機送數字量到D/A轉換器，轉變成模擬信號，再送到大功率三極管進行放大。單片機系統實時對輸出電流進行監控，采用數字方式作為反饋調整環節，由單片機內部程序控制調節功率管的輸出電流，使其恒定不變。當改變負載大小時，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個閉路環節使得系統一直在設定值維持電流恒定。該模塊通過軟件方法實現輸出電流穩定，功能易于實現，便于操作，并且成本低廉。電源模塊選用由78系列三端穩壓器件構成的穩壓電源，通過全波整流后，再進行濾波穩壓，考慮到該電流源輸出電壓在24 V以內，最大輸出電流大于900 mA，由P=UI可以粗略估算電流源的功耗為22 W；同時考慮到恒流源運算放大器部分的功耗，需要預留功率余量，因此供電電源要求能輸出60 W以上。由于串聯穩壓電路的輸出紋波小，符合恒流源的需求，其輸出電壓能滿足系統要求，而且簡單實用。顯示模塊使用七段LED數碼管；鍵盤模塊選擇獨立鍵盤。

圖1 系統設計總體方案

2 系統硬件各功能模塊的設計

2.1 主控模塊電路設計

AT89S52單片機系統是整個數控直流恒流源系統的核心部分，它負責鍵盤處理、數據處理、數據顯示和實時調整輸出電流[11-12]。AT89S52接口電路見圖2。

圖2 AT89S52接口電路

2.2 D/A轉換電路的設計

根據設計要求，該恒流源具有數控功能，輸出電流0～2 A，步進10 mA。由于本設計的恒流源為壓控恒流源，因此采用“單片機+D/A轉換”的方式比較合適。根據設計指標，要求實現2 A的電流輸出，因此選用8位D/A轉換器，完全滿足設計要求。設計中用2個電壓控制字代表0.1 V，當電壓控制字從0，2，…，198時，可調穩壓源輸出0.0，0.1，…，9.9。由于DAC0808是電流輸出型，輸出的電流隨輸入的電流控制字線性變化[13]。若要得到電流，還需要外接一片運放來實現電流到電流的轉換。由于DAC0808輸出級沒有加集成運放，所以需外加NE532相配適用。考慮到設計需要，采用了單緩沖雙級性的接法，如圖3所示。

圖3 DAC0808接口電路設計

2.3 電源供電模塊設計

本設計采用直流穩壓電源，從系統對紋波電流的要求出發，選擇用78系列以及79系列集成三端穩壓器構成的穩壓電源，另外加上保護電路[14]。為防止220 V電源掉電后三端穩壓器的輸出電壓高于輸入電壓，造成三端穩壓器的損壞，在三端穩壓器的輸入端和輸出端之間跨接了一個保護二極管。由于本系統中為U/I變換電路提供±5 V電壓，需要最大輸出2 A的電流，但是7815不能輸出2 A的電流，因此用7815穩壓不便，如果非要穩壓可以采用7815和三極管構成擴流電路。這里主要是輸出電流與U/I變換電路的供電電壓沒有直接關系，所以需要整流、濾波即可。況且高一些的電源電壓還可以提高負載電阻的變化范圍。

圖4 系統電源電路

如圖4所示，直接采用變壓后接整流器加濾波電容就可以。其中濾波電容選擇2200 μF/100 V的鋁電解電容。電源變壓器采用了雙15 V的變壓器，輸入220 V，50 Hz交流電，經全橋整流，濾波，穩壓后得到±15 V和+5 V三種輸出，+5 V部分供單片機及D/A，U/I，顯示等部分使用，電流最大約400 mA，+15 V和-15 V部分供運放使用，最大電流不超過50 mA。

2.4 基準電壓電路的設計

基準電壓源是當代模擬集成電路極為重要的組成部分，它為串聯型穩壓電路、A/D和D/A轉化器提供基準電壓，也是大多數傳感器的穩壓供電電源或激勵源[15]。因此若基準電壓不夠穩定和精確，會影響系統的精度。在本設計中采用運算放大器OP213EP來產生所需的+5 V基準電壓，而基準電壓源則采用MC1403。MC1403是美國摩托羅拉公司生產的高精確度、低溫漂的基準電壓源。基準電壓電路如圖5所示。

圖5 基準電壓電路

2.5U/I變換電路的設計

在本設計中，電流源電路采用壓控電流源來實現。壓控電流源的核心就是電壓/電流(U/I)變換電路，主要由給定與比較放大單元、功率放大單元組成[16]。其U/I變換電路原理圖如圖6所示。本設計采用三極管并聯電流調整方式。若三極管放大倍數β很小(取β=100)且流過三極管電流較大時，例如Iout=200 mA時,有Ib=2 mA,Ie=202 mA，那么電流取樣誤差將很大。如果β較大(取β=1 000)，那么Ib=0.2 mA，Ie=200.2 mA,誤差將大為減小。此外，選擇調整管還必須要注意滿足：①Icm>Icmax；②Uceo>Ucemax；③Pcm>Pcmax；且考慮到最大輸出電流為2 A，電流調整范圍也比較大，此時Icm應大于最大負載電流Iomax的2～3倍。達林頓管屬于復合型晶體管, 其β值很大，本設計采用了TIP122達林頓管，β值大于1 000倍，Icm為8 A，完全滿足設計要求。在輸出回路中引入一個反饋電阻RF，輸出電流經IO反饋電阻RF得到一個反饋電壓Uf，經R12、R13加到運算放大器的兩個輸入端。由電路可知，其反相端和同相端的電壓分別為

Un=U2+(Ui-U2)R14/(R12+R14)

(1)

UP=U1R/(R13+R15)

(2)

式中:Un為反相端的電壓；UP為同相端的電壓；Ui為

圖6 U/I變換電路

輸入電壓(來自D/A輸出在圖中為VOUT)。

對于運算放大器，有Un≈Up，故有：

(3)

由于U2=U1-Uf，則

(4)

若令R12=R13=20 kΩ，R14=R15=1 kΩ，則有：

UF=UiR14/R12=Ui/20

(5)

因為DAC0808芯片的基準電壓UREF為5 V，所以

(6)

略去反饋回路的電流，則有：

IO=UF/RF=Ui/(20RF)

(7)

又因為最小的電壓變化值Um=5.0U/(28-1)=20 mV。當取樣電阻RF=0.1 Ω時，代入式(7)可得: 20/(20×0.1)=10 mA，所以可以實現電流的步進為10 mA。

可見，當運算放大器增益足夠大時，輸出電流Io與輸入電壓Ui成正比，其比值只決定于取樣電阻RF而與負載電阻RL的大小無關，因而具有恒流性能。當RL在0～9.6 Ω時，輸出電流Io在0～2 A線性地與0～4 V直流輸入電壓相對應。

2.6 NE5532接口電路

NE5532是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器。相比較大多數標準運算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅動能力和相當高的小信號和電源帶寬。這使該器件特別適合應用在高品質和專業音響設備，儀器和控制電路和電話通道放大器。如圖7所示NE55532接口電路。

圖7 NE55532接口電路

2.7 人機接口的設計

(1) 鍵盤的設計。在本設計中獨立鍵盤采用中斷和查詢結合的方式，復位鍵采用中斷方式，其他鍵都用查詢的方式，如圖8所示。各按鍵功能說明如下。加1鍵：在設置狀態下，每按一次數值加0.1(9+1=0)；減1鍵：在設置狀態下，每按一次數值減0.1(0-1=9)； 復位鍵：在設置狀態下，按下進入中斷，使電壓設定值變為初始狀態。

圖8 鍵盤與單片機接口電路

(2) 顯示模塊設計。根據二位數碼管顯示原理圖，可以得到二位數碼管驅動以及連線原理圖如圖9所示，即可顯示實際電壓，間接指示電流。

圖9 二位數碼管驅動以及連線原理圖

3 系統軟件設計

3.1 主控程序流程

3.2 D/A子程序流程

由圖10、11可以看出，D/A子程序的作用是將設定的數字量通過變換送給D/A。

3.3U/I子程序流程

由圖12看出，修改精度為一個數字量，由于U/I和D/A的精度限制，修改量只能達到0.1 V，但足已滿足設計需要。

圖10 系統主控程序流程圖圖11 D/A子程序流程圖

圖12 U/I子程序流程圖

3.4 歩進步減子程序

步進、步減子程序流程如圖13所示。由步進、步減子程序框圖可以看出，如果每次把D/A的數字量加01H，可以使步進量和步減量由0.1 V變為0.05 V；如果采用更高位的D/A轉換器，可以使步進量和步減量進一步的減小,以滿足更高的要求。進入設置子程序后就屏蔽了“+”，“-”和設置鍵。然后逐步判斷按鍵，執行相應程序。

圖13 步進、步減子程序流程圖

4 系統軟硬件聯合仿真調試

利用Proteus和KEIL C51進行硬件仿真電路及軟件程序的聯合調試，如圖14所示。

圖14 硬件仿真電路及軟件程序的聯合調試

5 數據測試及誤差分析

數據測試是反映系統性能的重要指標，因此對本系統進行了全面的輸出電流測試。負載電阻為5 Ω時測試數據如表1所示。本次測試采用的儀表為Proteus軟件提供的虛擬電表和虛擬的電壓電流探針。

表1 測試數據統計

改變負載電阻，讓輸出電壓在0～10 V以內變化時，測出輸出電流變化的絕對值，檢測結果見表2。

表2 電流隨負載改變的測試數據

本設計中所采用的D/A芯片DA0808的分辨率為8位，以電源電壓為基準電壓，即基準電壓為5 V，則其最小轉換電壓Um=5.0U/(28-1)=20 mV。D/A轉換器AD5320的誤差為+1LSB，當電流設定為1 800 mA的時候，出現了最大偏差1.64 mA，這時輸出電流的誤差在2LSB之內，是由于D/A轉換器本身帶來的系統誤差，因此通過數據分析可知，該恒流源達到了設計要求。由于D/A芯片的最小轉換電壓為20 mV，所以D/A輸出電壓的誤差為20 mV。當輸出電流與設定電流大小不相等的情況下，如圖5～10所示；當輸出電流小于設定值時，D/A轉換器的輸出電壓會一直增大，直到輸出電流值與設定值相等為止。

6 結 語

本設計是以單片機系統為核心設計的數控高精度閉環直流電流源，其電路簡單、結構緊湊、價格低廉，而且單片機具有計算和控制能力，可對各種采樣數據進行處理，因而控制其輸出電路，從而可減少或排除由于干擾信號引起的輸出電流波動，提高輸出電流的穩定性，并采用8位D/A轉換器轉換得到相應電壓從而通過壓控電流源電路產生高精度高穩定性的電流。又利用鍵盤和顯示實現人機交互，取值精度高，操作方便。本設計使用軟件的虛擬儀表、電壓電流探針來測試電流和電壓，所以測量數據與產品的實際測量數據可能存在一定的誤差。本系統通過優化軟硬設計，盡量減少誤差，使輸出電流的波紋電流小于0.2 mA，提高了系統的精度，并且與理論計算相吻合。如果要進一步提高系統輸出電流精度或減小電流步進單位，可以使用的分辨率更高的D/A芯片來實現。如果需要增大輸出電流，可以通過減小負載反饋電阻RF的阻值并修改控制程序來實現。如果需要擴大負載的變化范圍，則需要適當提高U/I轉換電路的供電電壓(可以增加到36 V)。

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Research of Digitally Closed Controlled and High
Precision DC Current Source

CHAIXi-lin1，SHIYa-pan1，DULi-xia2
(1.Zhixing College, Northwest Normal University，Lanzhou 730070, China；2. School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

A DC current source was designed by using AT89S52 microcontroller as the center controller. The current output value can be adjusted by touch-keys, single chip microcomputer sends the current value to digital tube display. At the same time, the data communication port of D/A converter DAC0808 sends the number of output current to D/A converter, which converts it to analog output, at last byU/Iconversion circuit the stable output current can be achieved. After testing, this digitally controlled DC current source has high precision, can meet the requirement of a variety of current source experiments, and has reliable performance, high precision stepper. It is also simple, low cost, high practical value and development value, etc.

digitally control; current source; AT89S52; DAC; stepping technique

2014-06-06

柴西林(1984-)，女，甘肅蘭州人，碩士，講師，研究方向：信號處理。Tel.：13919119783；E-mail:chai.xilin@163.com

TN 86

A

1006-7167(2015)02-0075-06