基于單片機(jī)的高精度數(shù)字直流電流源設(shè)計
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直流電流源是一種應(yīng)用廣泛的電子儀器，對于要求輸出電流可調(diào)的情況，最簡單實(shí)用的方法是通過軟件控制來實(shí)現(xiàn)。使用單片機(jī)作為主控部件，系統(tǒng)設(shè)計簡單方便。本文設(shè)計的直流電流源是以凌陽61單片機(jī)系統(tǒng)[1，2]為核心,采用12位外部擴(kuò)展MAX531DA和MAX197AD芯片，并在外部電流輸出模塊中引入PI控制[3]，構(gòu)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(jié)構(gòu)圖
2 系統(tǒng)原理與設(shè)計方案
系統(tǒng)主電路采用全橋整流電路作為負(fù)載電路電源，并選用大功率三極管[4]串聯(lián)電路進(jìn)行電流輸出?？刂齐娐肥褂昧桕?1單片機(jī)，單片機(jī)掃描鍵盤顯示接口，當(dāng)有鍵按下時，鍵值通過83編碼器CD4532讀給單片機(jī)。單片機(jī)控制DA轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換輸出值經(jīng)過電流源輸出模塊輸出。輸出電流經(jīng)采樣放大電路一方面?zhèn)鬟f給AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，經(jīng)處理后換算成相應(yīng)的電流值，最終通過液晶顯示；另一方面結(jié)合模板PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)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(shè)計思想，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3 硬件電路設(shè)計
3.1 負(fù)載電路電源設(shè)計
本設(shè)計沒有采用開關(guān)電源。因為開關(guān)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(chǎn)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(guān)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(fù)載電路電源。
使用輸出功率50W、變比220/15的變壓器，經(jīng)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(hù)功能，使用電壓比較器檢測電阻的電壓，當(dāng)檢測電壓超過最高設(shè)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(fù)載電流為零，達(dá)到過流保護(hù)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(jìn)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(jìn)行比較，形成電流閉環(huán)，調(diào)節(jié)PI控制器的比例放大系數(shù)，使DA輸出量和實(shí)際采樣檢測值之間保持線性關(guān)系。系統(tǒng)電流閉環(huán)消除了由運(yùn)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(zhuǎn)換電路的干擾，簡化了軟件部分的設(shè)計。實(shí)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(jìn)行積分時間和放大系數(shù)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(fù)載能力更強(qiáng)，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(qū)動MJ2955?？紤]到MJ2955的電流比較大，功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重，系統(tǒng)中使用了散熱器并強(qiáng)迫風(fēng)冷，以保證MJ2955不被燒壞。PI調(diào)節(jié)電路及主電路如圖2。
3.2.3 負(fù)載電路
電源輸出端并聯(lián)30000μF的大電容穩(wěn)壓后，再串聯(lián)π型濾波電路濾波，減小電流波動干擾；在負(fù)載正極和地之間并聯(lián)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(dāng)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(chǎn)生的功率為2瓦，這將導(dǎo)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(shí)測值之間產(chǎn)生很大誤差。康銅絲的電阻溫度系數(shù)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(fēng)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(zhuǎn)換模塊的選擇
凌陽61單片機(jī)自帶8個通道的10位AD轉(zhuǎn)換器，其中7個為普通AD轉(zhuǎn)換通道，另一個為語音信號輸入通道；61單片機(jī)也有兩路DA轉(zhuǎn)換。61單片機(jī)的10位AD和DA轉(zhuǎn)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(yīng)該選用更高位數(shù)的AD和DA轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換精度，系統(tǒng)中對AD和DA電源使用π型濾波器再次進(jìn)行濾波處理，避免干擾信號串入轉(zhuǎn)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(shí)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(jī)最小系統(tǒng)
SPCE061A主要包括輸入/輸出端口、定時器/計數(shù)器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、串行設(shè)備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監(jiān)測和復(fù)位等部分，并且內(nèi)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(fù)雜的數(shù)字信號。SPCE061A 單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如應(yīng)用在家用電器控制器、工業(yè)控制領(lǐng)域。
3.4.2 單片機(jī)與AD、DA轉(zhuǎn)換的接口電路
系統(tǒng)采用單片機(jī)作為AD和DA轉(zhuǎn)換的控制模塊，只需考慮外部接口電路的設(shè)計，即可方便實(shí)現(xiàn)控制過程。芯片MAX531，MAX197均采用內(nèi)電壓基準(zhǔn)工作模式，單電源+5V供電。MAX531內(nèi)部給出2.048V基準(zhǔn)電壓，MAX197內(nèi)部給出4.096V基準(zhǔn)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(jī)沒有類似于51單片機(jī)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(zhuǎn)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(jī)自帶的四鍵鍵盤，而是用83編碼器CD4532擴(kuò)展了8個鍵。這樣可以分級“+”,“-”調(diào)整電流源輸出，達(dá)到步進(jìn)1mA，10mA和100mA。系統(tǒng)提供了一個方便的用戶操作界面，體現(xiàn)了人性化設(shè)計的思想。
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