一種基于單片機的數(shù)控直流恒流源的設(shè)計

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單片機的編程實現(xiàn)數(shù)字控制，數(shù)字顯示，同時用DAC0832實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬控制電壓，再用運放和功率三極管組成電流負反饋系統(tǒng)來完成輸出電流控制及恒定。整個系統(tǒng)由單片機控制，輸出部分使用運算放大器和功率放大器組成深度電流負反饋大大減少了輸出端的電流波動，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不變的，但實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)、電子測量儀器、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單片機為核心，控制、比較調(diào)整單元基準(zhǔn)的變化，實現(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)字信號輸出單片機。由按鈕選擇配合軟件分別實現(xiàn)設(shè)定值與測試值的交替顯示。

控制核心采用單片機INTEL89C55，用此來控制提高了精度，人工干預(yù)自由度大，功能擴展，升級余地比較大，兼容性強，成本低廉，易于制作，生產(chǎn)。采樣部分使用運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，不僅簡化接口電路，而且還減少了軟件對鍵盤/顯示器的查詢時間，提高了CPU的利用率。

3 主要電路設(shè)計與計算

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，同時也是穩(wěn)壓輸出電路的主電源。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

對于濾波電容的選擇，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)波動為10%，所以考慮電容為4700μF/16V。因7815和7812負載重功率大，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

單片機的輸出經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號后，經(jīng)過雙運放集成塊放大后，再經(jīng)過MOS管(2SK1062，N溝道)引入深度電流負反饋。引入電流負反饋可以穩(wěn)定輸出電流，提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，擴展頻帶，減小非線性失真[3]。采用場效應(yīng)管的優(yōu)點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。電路如圖3所示

圖3 恒流源電流

場效應(yīng)管與BJT最基本的差別在于場效應(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。從柵極看進去的輸入電阻近似為無窮大，漏極電流可以忽略不計。負載電阻改變及紋波電流的抑制均由深度電流負反饋來實現(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之間進行改變。改變負載電阻Rf時，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，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4.7μF的電解電容和一個0.1μF的瓷片電容去耦。

3.3 數(shù)控部分

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

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

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

鍵盤/顯示接口電路：在設(shè)計鍵盤/顯示接口電路時，使用8279鍵盤/顯示控制器，它能實現(xiàn)對鍵盤的自動掃描，并對顯示器進行自動刷新。

4 電路測試與分析

4.1 測試方法

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

用萬用表測1和2兩端的值為實測電流值;用低頻毫伏表測3和4兩端的值為輸出紋波電壓值。誤差百分率測試：為了比較測量值和真實值的誤差，我們在20～2000mA之間選定了六個值相比較，測量數(shù)據(jù)記錄如表1所示，誤差百分率計算公式為：

(2)

式中：I1為顯示值，I2為測量值。

圖4 測試方法框圖

4.2 測試結(jié)果記錄

負載為5Ω時，輸出電流預(yù)置值、顯示值和測試值的對照表，見表1所示。

表1 顯示值與測量值對照表(RL=5Ω)

當(dāng)改變負載電阻（RL=20Ω）時對恒流值的影響，其測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　當(dāng)RL=20Ω時，測試數(shù)據(jù)記錄表

4.3 誤差分析

從測量結(jié)果來看，系統(tǒng)的誤差主要來源于：

⑴ 運算放大器和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單片機為核心控制部件，通過由運算放大器和功率放大電路組成電流負反饋系統(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，隨負載和環(huán)境溫度變化較小。該系統(tǒng)電路簡單、成本低、功耗小、可靠性高,具有較為廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。