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

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一種高精度閉環(huán)數(shù)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(xué) 知行學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

基于直流電流源的原理，以AT89S52單片機(jī)為中心控制器，利用按鍵設(shè)置電流的輸出值，通過單片機(jī)將該電流值送數(shù)碼管顯示；同時(shí)，通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0808的數(shù)據(jù)通信端口將輸出電流的數(shù)字量送入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為模擬量后輸出，再通過U/I轉(zhuǎn)換電路得到穩(wěn)定輸出的電流。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，該數(shù)控電流源具有很高的精度值，可滿足多種電流源的實(shí)驗(yàn)要求，且具有性能可靠、步進(jìn)精度高、電路簡單易懂、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)控； 電流源； AT89S52； DAC； 步進(jìn)

0 引 言

恒流電源是為電流型負(fù)載提供穩(wěn)定電流的重要儀器[1]。這種電源設(shè)計(jì)不但要能滿足各系統(tǒng)對電源的不同要求，并且還要能保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)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(hù)功能不夠完善和故障率較高[3-4]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品數(shù)字化智能化已成為必然趨勢。目前，市售數(shù)控電流源產(chǎn)品多以硬件線性負(fù)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(fù)雜，電流所需的動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)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(qiáng)，且穩(wěn)定性和可靠性較低[9-10]。以單片機(jī)系統(tǒng)為核心而設(shè)計(jì)的新一代數(shù)控直流電流源不但電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉，而且單片機(jī)具有計(jì)算和控制能力，可對各種采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)，提高輸出電流的穩(wěn)定性。本文提供了一種數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)方案，以STC89C52單片機(jī)為核心控制電路，利用8位D/A模塊產(chǎn)生穩(wěn)定的控制電壓。輸出電流范圍為0～2 A，具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)為10 mA，紋波電流小，數(shù)碼管同時(shí)顯示預(yù)置電流值和實(shí)測電流值，便于操作和進(jìn)行誤差分析。

1 設(shè)計(jì)要求與總體方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

該設(shè)計(jì)中數(shù)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(shù)指標(biāo)：①輸出電流范圍0～2 A；②可設(shè)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(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)10 mA；④改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10 V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1%+10 mA。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，詳細(xì)分析數(shù)控高精度直流電流源的設(shè)計(jì)需求，并進(jìn)行軟硬件的總體設(shè)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在保證實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，要盡可能降低系統(tǒng)成本。整個(gè)系統(tǒng)從功能上劃分為5個(gè)模塊，如圖1所示。主控模塊采用AT89S52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，通過改變D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)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(shù)控的方式，利用單片機(jī)送數(shù)字量到D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變成模擬信號，再送到大功率三極管進(jìn)行放大。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對輸出電流進(jìn)行監(jiān)控，采用數(shù)字方式作為反饋調(diào)整環(huán)節(jié)，由單片機(jī)內(nèi)部程序控制調(diào)節(jié)功率管的輸出電流，使其恒定不變。當(dāng)改變負(fù)載大小時(shí)，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個(gè)閉路環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)一直在設(shè)定值維持電流恒定。該模塊通過軟件方法實(shí)現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，功能易于實(shí)現(xiàn)，便于操作，并且成本低廉。電源模塊選用由78系列三端穩(wěn)壓器件構(gòu)成的穩(wěn)壓電源，通過全波整流后，再進(jìn)行濾波穩(wěn)壓，考慮到該電流源輸出電壓在24 V以內(nèi)，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(shí)考慮到恒流源運(yùn)算放大器部分的功耗，需要預(yù)留功率余量，因此供電電源要求能輸出60 W以上。由于串聯(lián)穩(wěn)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(tǒng)要求，而且簡單實(shí)用。顯示模塊使用七段LED數(shù)碼管；鍵盤模塊選擇獨(dú)立鍵盤。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

2 系統(tǒng)硬件各功能模塊的設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)

AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)鍵盤處理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和實(shí)時(shí)調(diào)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(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該恒流源具有數(shù)控功能，輸出電流0～2 A，步進(jìn)10 mA。由于本設(shè)計(jì)的恒流源為壓控恒流源，因此采用“單片機(jī)+D/A轉(zhuǎn)換”的方式比較合適。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，要求實(shí)現(xiàn)2 A的電流輸出，因此選用8位D/A轉(zhuǎn)換器，完全滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)中用2個(gè)電壓控制字代表0.1 V，當(dāng)電壓控制字從0，2，…，198時(shí)，可調(diào)穩(wěn)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(yùn)放來實(shí)現(xiàn)電流到電流的轉(zhuǎn)換。由于DAC0808輸出級沒有加集成運(yùn)放，所以需外加NE532相配適用。考慮到設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

2.3 電源供電模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用直流穩(wěn)壓電源，從系統(tǒng)對紋波電流的要求出發(fā)，選擇用78系列以及79系列集成三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的穩(wěn)壓電源，另外加上保護(hù)電路[14]。為防止220 V電源掉電后三端穩(wěn)壓器的輸出電壓高于輸入電壓，造成三端穩(wěn)壓器的損壞，在三端穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間跨接了一個(gè)保護(hù)二極管。由于本系統(tǒng)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(wěn)壓不便，如果非要穩(wěn)壓可以采用7815和三極管構(gòu)成擴(kuò)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(guān)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(fù)載電阻的變化范圍。

圖4 系統(tǒng)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(jīng)全橋整流，濾波，穩(wěn)壓后得到±15 V和+5 V三種輸出，+5 V部分供單片機(jī)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(yùn)放使用，最大電流不超過50 mA。

2.4 基準(zhǔn)電壓電路的設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)電壓源是當(dāng)代模擬集成電路極為重要的組成部分，它為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)化器提供基準(zhǔn)電壓，也是大多數(shù)傳感器的穩(wěn)壓供電電源或激勵(lì)源[15]。因此若基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定和精確，會(huì)影響系統(tǒng)的精度。在本設(shè)計(jì)中采用運(yùn)算放大器OP213EP來產(chǎn)生所需的+5 V基準(zhǔn)電壓，而基準(zhǔn)電壓源則采用MC1403。MC1403是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的高精確度、低溫漂的基準(zhǔn)電壓源。基準(zhǔn)電壓電路如圖5所示。

圖5 基準(zhǔn)電壓電路

2.5U/I變換電路的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，電流源電路采用壓控電流源來實(shí)現(xiàn)。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(shè)計(jì)采用三極管并聯(lián)電流調(diào)整方式。若三極管放大倍數(shù)β很小(取β=100)且流過三極管電流較大時(shí)，例如Iout=200 mA時(shí),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(diào)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(diào)整范圍也比較大，此時(shí)Icm應(yīng)大于最大負(fù)載電流Iomax的2～3倍。達(dá)林頓管屬于復(fù)合型晶體管, 其β值很大，本設(shè)計(jì)采用了TIP122達(dá)林頓管，β值大于1 000倍，Icm為8 A，完全滿足設(shè)計(jì)要求。在輸出回路中引入一個(gè)反饋電阻RF，輸出電流經(jīng)IO反饋電阻RF得到一個(gè)反饋電壓Uf，經(jīng)R12、R13加到運(yùn)算放大器的兩個(gè)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(yùn)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?yàn)镈AC0808芯片的基準(zhǔn)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?yàn)樽钚〉碾妷鹤兓礥m=5.0U/(28-1)=20 mV。當(dāng)取樣電阻RF=0.1 Ω時(shí)，代入式(7)可得: 20/(20×0.1)=10 mA，所以可以實(shí)現(xiàn)電流的步進(jìn)為10 mA。

可見，當(dāng)運(yùn)算放大器增益足夠大時(shí)，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(fù)載電阻RL的大小無關(guān)，因而具有恒流性能。當(dāng)RL在0～9.6 Ω時(shí)，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(yīng)。

2.6 NE5532接口電路

NE5532是一種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器。相比較大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號和電源帶寬。這使該器件特別適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)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(jī)接口的設(shè)計(jì)

(1) 鍵盤的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中獨(dú)立鍵盤采用中斷和查詢結(jié)合的方式，復(fù)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(shè)置狀態(tài)下，每按一次數(shù)值加0.1(9+1=0)；減1鍵：在設(shè)置狀態(tài)下，每按一次數(shù)值減0.1(0-1=9)； 復(fù)位鍵：在設(shè)置狀態(tài)下，按下進(jìn)入中斷，使電壓設(shè)定值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)。

圖8 鍵盤與單片機(jī)接口電路

(2) 顯示模塊設(shè)計(jì)。根據(jù)二位數(shù)碼管顯示原理圖，可以得到二位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)以及連線原理圖如圖9所示，即可顯示實(shí)際電壓，間接指示電流。

圖9 二位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)以及連線原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(shè)定的數(shù)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(gè)數(shù)字量，由于U/I和D/A的精度限制，修改量只能達(dá)到0.1 V，但足已滿足設(shè)計(jì)需要。

圖10 系統(tǒng)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(jìn)步減子程序

步進(jìn)、步減子程序流程如圖13所示。由步進(jìn)、步減子程序框圖可以看出，如果每次把D/A的數(shù)字量加01H，可以使步進(jìn)量和步減量由0.1 V變?yōu)?.05 V；如果采用更高位的D/A轉(zhuǎn)換器，可以使步進(jìn)量和步減量進(jìn)一步的減小,以滿足更高的要求。進(jìn)入設(shè)置子程序后就屏蔽了“+”，“-”和設(shè)置鍵。然后逐步判斷按鍵，執(zhí)行相應(yīng)程序。

圖13 步進(jìn)、步減子程序流程圖

4 系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試

利用Proteus和KEIL C51進(jìn)行硬件仿真電路及軟件程序的聯(lián)合調(diào)試，如圖14所示。

圖14 硬件仿真電路及軟件程序的聯(lián)合調(diào)試

5 數(shù)據(jù)測試及誤差分析

數(shù)據(jù)測試是反映系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，因此對本系統(tǒng)進(jìn)行了全面的輸出電流測試。負(fù)載電阻為5 Ω時(shí)測試數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

改變負(fù)載電阻，讓輸出電壓在0～10 V以內(nèi)變化時(shí)，測出輸出電流變化的絕對值，檢測結(jié)果見表2。

表2 電流隨負(fù)載改變的測試數(shù)據(jù)

本設(shè)計(jì)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(zhǔn)電壓，即基準(zhǔn)電壓為5 V，則其最小轉(zhuǎn)換電壓Um=5.0U/(28-1)=20 mV。D/A轉(zhuǎn)換器AD5320的誤差為+1LSB，當(dāng)電流設(shè)定為1 800 mA的時(shí)候，出現(xiàn)了最大偏差1.64 mA，這時(shí)輸出電流的誤差在2LSB之內(nèi)，是由于D/A轉(zhuǎn)換器本身帶來的系統(tǒng)誤差，因此通過數(shù)據(jù)分析可知，該恒流源達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由于D/A芯片的最小轉(zhuǎn)換電壓為20 mV，所以D/A輸出電壓的誤差為20 mV。當(dāng)輸出電流與設(shè)定電流大小不相等的情況下，如圖5～10所示；當(dāng)輸出電流小于設(shè)定值時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓會(huì)一直增大，直到輸出電流值與設(shè)定值相等為止。

6 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)系統(tǒng)為核心設(shè)計(jì)的數(shù)控高精度閉環(huán)直流電流源，其電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉，而且單片機(jī)具有計(jì)算和控制能力，可對各種采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)，提高輸出電流的穩(wěn)定性，并采用8位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)電壓從而通過壓控電流源電路產(chǎn)生高精度高穩(wěn)定性的電流。又利用鍵盤和顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，取值精度高，操作方便。本設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)與產(chǎn)品的實(shí)際測量數(shù)據(jù)可能存在一定的誤差。本系統(tǒng)通過優(yōu)化軟硬設(shè)計(jì)，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(tǒng)的精度，并且與理論計(jì)算相吻合。如果要進(jìn)一步提高系統(tǒng)輸出電流精度或減小電流步進(jìn)單位，可以使用的分辨率更高的D/A芯片來實(shí)現(xiàn)。如果需要增大輸出電流，可以通過減小負(fù)載反饋電阻RF的阻值并修改控制程序來實(shí)現(xiàn)。如果需要擴(kuò)大負(fù)載的變化范圍，則需要適當(dāng)提高U/I轉(zhuǎn)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

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1006-7167(2015)02-0075-06