基于單片機的高精度數字直流電流源設計
加入技術交流群
直流電流源是一種應用廣泛的電子儀器，對于要求輸出電流可調的情況，最簡單實用的方法是通過軟件控制來實現。使用單片機作為主控部件，系統(tǒng)設計簡單方便。本文設計的直流電流源是以凌陽61單片機系統(tǒng)[1，2]為核心,采用12位外部擴展MAX531DA和MAX197AD芯片，并在外部電流輸出模塊中引入PI控制[3]，構成電流閉環(huán)，有效消除了由于電子器件本身以及外界干擾造成的輸出誤差，大大提高了電流源的精度。
圖1 系統(tǒng)結構圖
2 系統(tǒng)原理與設計方案
系統(tǒng)主電路采用全橋整流電路作為負載電路電源，并選用大功率三極管[4]串聯電路進行電流輸出。控制電路使用凌陽61單片機，單片機掃描鍵盤顯示接口，當有鍵按下時，鍵值通過83編碼器CD4532讀給單片機。單片機控制DA轉換，轉換輸出值經過電流源輸出模塊輸出。輸出電流經采樣放大電路一方面?zhèn)鬟f給AD轉換器轉換成數字量信號，經處理后換算成相應的電流值，最終通過液晶顯示；另一方面結合模板PI調節(jié)器實現電流閉環(huán)控制，以保證輸出電流值無靜差跟蹤程控給定電流。整個控制系統(tǒng)采用模塊化設計思想，系統(tǒng)結構如圖1所示。
3 硬件電路設計
3.1 負載電路電源設計
本設計沒有采用開關電源。因為開關電源采用高頻斬波電路，雖然可以在輸入電壓波動比較大的情況下高效保持穩(wěn)定的直流輸出，但高頻電路容易產生高頻電磁噪聲，對采樣、控制電路形成干擾。因此，為避免開關電源對控制電路造成干擾、提高控制和輸出精度，本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的全橋整流電路，作為負載電路電源。
使用輸出功率50W、變比220/15的變壓器，經全橋整流后加30000μF電容穩(wěn)壓濾波輸出21V直流電壓，再串入扼流線圈用于減小電流紋波。
本電路還加載了過流保護功能，使用電壓比較器檢測電阻的電壓，當檢測電壓超過最高設定電壓時，電壓比較器輸出高電平，通過DA的CLR腳使DA清零從而使得負載電流為零，達到過流保護目的。
3.2 電流源輸出模塊
3.2.1 PI控制
程控12位D/A給定進行1：1比例放大電路反向輸出，與電流采樣板輸出的電流反饋進行比較，形成電流閉環(huán)，調節(jié)PI控制器的比例放大系數，使DA輸出量和實際采樣檢測值之間保持線性關系。系統(tǒng)電流閉環(huán)消除了由運放引起的非線性誤差，并有效抑制模擬電路部分的非線性對AD轉換電路的干擾，簡化了軟件部分的設計。實驗表明，系統(tǒng)輸出電流誤差絕對值小于1mA。
改變電路中的電阻和電容，可進行積分時間和放大系數的改變。
3.2.2電流放大輸出
從PI控制輸出的電流較小，無法滿足系統(tǒng)輸出電流20mA-2000mA的要求，需附加電流放大電路。為了使電流源帶負載能力更強，電流放大電路接一個PNP型大功率三極管MJ2955輸出，采用NPN型通用三極管9013驅動MJ2955?？紤]到MJ2955的電流比較大，功耗大、發(fā)熱嚴重，系統(tǒng)中使用了散熱器并強迫風冷，以保證MJ2955不被燒壞。PI調節(jié)電路及主電路如圖2。
3.2.3 負載電路
電源輸出端并聯30000μF的大電容穩(wěn)壓后，再串聯π型濾波電路濾波，減小電流波動干擾；在負載正極和地之間并聯60000μF大電容用于減小電流紋波。
3.2.4 電流采樣電路
系統(tǒng)要求電流源輸出電流范圍為20mA到2000mA。當輸出電流為2000mA時，若取采樣電阻為0.5歐姆，則采樣電阻上產生的功率為2瓦，這將導致采樣電阻發(fā)熱，電阻阻值發(fā)生改變，使得電流給定值與實測值之間產生很大誤差?？点~絲的電阻溫度系數比較小，因此系統(tǒng)選用康銅絲作為采樣電阻，用多根較粗的康銅絲并接，同時用風扇給電阻降溫，以降低溫漂，保持采樣電阻阻值恒定。
3.3 AD和DA轉換模塊的選擇
凌陽61單片機自帶8個通道的10位AD轉換器，其中7個為普通AD轉換通道，另一個為語音信號輸入通道；61單片機也有兩路DA轉換。61單片機的10位AD和DA轉換分辨精度為1/1024，而系統(tǒng)輸出電流的誤差絕對值要求小于1mA，因此，應該選用更高位數的AD和DA轉換芯片。系統(tǒng)采用12位AD芯片MAX197和12位DA芯片MAX531，基本滿足精度要求。
為提高AD和DA的可靠性，增加系統(tǒng)的抗干擾能力，提高轉換精度，系統(tǒng)中對AD和DA電源使用π型濾波器再次進行濾波處理，避免干擾信號串入轉換電路。在沒有加入濾波電路之前，測得紋波電流為8mA；在加入濾波電路后，實際測得的紋波電流下降到0.8mA。
3.4 控制模塊
3.4.1 凌陽61單片機最小系統(tǒng)
SPCE061A主要包括輸入/輸出端口、定時器/計數器、數/模轉換、模/數轉換、串行設備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監(jiān)測和復位等部分，并且內置在線仿真電路ICE接口，較高的處理速度使其能夠快速的處理復雜的數字信號。SPCE061A 單片機應用領域非常廣泛，例如應用在家用電器控制器、工業(yè)控制領域。
3.4.2 單片機與AD、DA轉換的接口電路
系統(tǒng)采用單片機作為AD和DA轉換的控制模塊，只需考慮外部接口電路的設計，即可方便實現控制過程。芯片MAX531，MAX197均采用內電壓基準工作模式，單電源+5V供電。MAX531內部給出2.048V基準電壓，MAX197內部給出4.096V基準電壓。MAX531提供兩倍增益，即輸出電壓從0V到+4.096V。
由于凌陽61單片機沒有類似于51單片機的控制總線，本系統(tǒng)中對AD、DA的讀寫等控制信號均采用輸出口模擬的方式來提供。AD和DA轉換電路如圖3和圖4。
3.4.3 鍵盤和顯示模塊
本系統(tǒng)沒有采用凌陽61單片機自帶的四鍵鍵盤，而是用83編碼器CD4532擴展了8個鍵。這樣可以分級“+”,“-”調整電流源輸出，達到步進1mA，10mA和100mA。系統(tǒng)提供了一個方便的用戶操作界面，體現了人性化設計的思想。
基爾霍夫電流相關文章:基爾霍夫電流定律
評論