用于壓磁傳感器的精密程控恒流源設(shè)計(jì)

摘要：目前很多由分立元件構(gòu)成的恒流源電流有限，穩(wěn)定度較差，容易受到元器件參數(shù)變化和環(huán)境變化的干擾，并難以調(diào)節(jié)。在此采用閉環(huán)控制原理，利用單片機(jī)控制ADC和DAC轉(zhuǎn)換模塊，達(dá)到恒流的目的，并可以根據(jù)需要，通過(guò)代碼改寫實(shí)現(xiàn)電流的預(yù)置?？朔艘酝至⒃?gòu)成的恒流源不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，達(dá)到了良好的供電效果，在多次實(shí)地測(cè)量中圓滿完成任務(wù)。
關(guān)鍵詞：程控恒流源；電路設(shè)計(jì)；應(yīng)力測(cè)量；壓磁傳感器

0 引言
    恒流源在測(cè)量領(lǐng)域和工程技術(shù)中都有著重要的用途，目前恒流源的設(shè)計(jì)方法有多種，最常見(jiàn)的是場(chǎng)效應(yīng)管恒流源和二極管恒流源，但其電流值有限，穩(wěn)定度較差，并且難以調(diào)節(jié)，在文獻(xiàn)中對(duì)此做過(guò)一定的論述。本文將介紹一個(gè)新型實(shí)用的恒流源電路，用于壓磁傳感器的測(cè)量，并詳細(xì)說(shuō)明其工作原理。

1 程控恒流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    由于溫度對(duì)集成電路參數(shù)的影響不如對(duì)晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的影響顯著，本設(shè)計(jì)盡量采用集成電路取代分立元件。本文提出的恒流源以單片機(jī)為核心，結(jié)合ADC和DAC轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)采集工作電流，并送單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，然后輸出合適大小的電壓，使傳感器工作在恒流狀態(tài)。程控恒流源原理圖如圖1所示。

2 程控恒流源電路的設(shè)計(jì)
    程控恒流源由1 MHz有源晶振產(chǎn)生正弦波后經(jīng)2片串聯(lián)的74HC390進(jìn)行1 000分頻后得到1 kHz的方波，該方波再由五階低通濾波芯片MAX-7410轉(zhuǎn)化為正弦波，送往乘法器AD734AQ的X1管腳。傳感器的實(shí)時(shí)工作電流由電流互感器采集轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，由真有效值芯片AD736轉(zhuǎn)化為正弦電壓信號(hào)的有效值，再由程控D／A轉(zhuǎn)換芯片LTC2606將電壓的數(shù)字信號(hào)傳送給AT89S52單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，處理結(jié)果由A／D轉(zhuǎn)換芯片AD7705轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出到乘法器AD734AQ的Y1管腳。2個(gè)信號(hào)相乘后經(jīng)功率放大器TDA2040和變壓器供給傳感器工作。
    電路中的關(guān)鍵部分是以單片機(jī)為核心的ADC和DAC模塊，其電路圖如圖2所示。

    其中，LTC2606和AD7705的參考電壓輸入管腳接AD780電壓轉(zhuǎn)換芯片，以提供可靠的參考電壓。

3 程控恒流源工作原理
    整體電路的工作原理可由式(1)、式(2)說(shuō)明：
    
    式中：U基 為乘法器X1管腳的輸入電壓；U信號(hào)源 為乘法器Y1管腳輸入電壓的有效值；A乘法器 為乘法器增益；A放大電路 為功率放大電路和變壓器總的電壓增益；R傳感器為壓磁傳感器的等效阻值；I為傳感器的實(shí)時(shí)工作電流；i為電流互感器線圈匝數(shù)比的倒數(shù)；R采集 為電流互感器采集電阻阻值。
    傳感器的初始阻值、U信號(hào)源、A乘法器、A放大電路、i和R采集 在硬件電路搭接完畢后為確定已知，因此當(dāng)R傳感器 隨著測(cè)量的進(jìn)行產(chǎn)生變化時(shí)，I也會(huì)隨之變化，所以只要通過(guò)反饋電路即時(shí)改變U基，即可達(dá)到傳感器恒流工作的目的。本設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)可計(jì)算得出所需的U基。具體計(jì)算過(guò)程如下：
    先計(jì)算出傳感器即時(shí)工作電流：
    
    然后根據(jù)工作電流求出變化后的傳感器阻值：
    
    最后根據(jù)當(dāng)前傳感器阻值求出使之在I設(shè)定 下工作需要的U基。I設(shè)定 為傳感器規(guī)定的工作電流。
   

4 程控恒流源的程序流程圖
    程控恒流源的程序流程圖如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)
    綜上所述，該程控恒流源有如下優(yōu)點(diǎn)：
    (1)在程序代碼中，根據(jù)硬件電路設(shè)定相應(yīng)計(jì)算參數(shù)后，即可通過(guò)程序精確控制，達(dá)到良好的恒流效果，從而滿足壓磁元件恒流工作的要求，并適用于各種阻抗類傳感器。當(dāng)傳感器變更時(shí)，只需改變代碼中相應(yīng)參數(shù)即可。
    (2)盡量避免使用分立元件，多采用集成電路，克服了分立元件容易受到環(huán)境變化影響的缺點(diǎn)。
    (3)A／D和D／A轉(zhuǎn)換芯片均采用16位精度，提高了恒流源的可靠性。
    本設(shè)計(jì)利用反饋原理，使用現(xiàn)代集成電路代替分立元件，并加入代碼精確計(jì)算控制反饋輸出量，使得恒流源能達(dá)到很好的恒流效果。