基于Proteus的數(shù)控恒流源仿真研究

為了提高測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性， 采用專用的電壓基準(zhǔn)芯片TL431 為T LC5615 提供基準(zhǔn)電壓， 并在Proteus中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。電路如圖2 所示， 在制作實(shí)際電路時(shí)，圖中的可調(diào)電阻采用精密多圈電位器。

圖2 電壓基準(zhǔn)電路

2. 2 恒流電路的設(shè)計(jì)

恒流電路的主要作用是將數(shù)控部分送來的電壓轉(zhuǎn)換成恒定的電流輸出， 提供給負(fù)載。轉(zhuǎn)換電路由高精度集成運(yùn)算放大器LM358、功率場效應(yīng)管IRF530 和采樣電阻構(gòu)成， 如圖3 所示。將數(shù)控部分的模擬輸出電壓Ui 作為LM358 的輸入量， 取樣電阻的電壓反饋到LM358 的反相輸入端， 該電路構(gòu)成了典型的電流串聯(lián)負(fù)反饋， 根據(jù)反饋理論， 由于集成運(yùn)放的開環(huán)增益很大， 所以該電路為深度負(fù)反饋， 即輸入電壓Ui與取樣電阻R 上的反饋電壓Uf 相等， 可由式(3) 得：

圖3 電流源電路。

即輸出電流IO 只取決于數(shù)控輸出電壓Ui 和取樣電阻R 的大小， 而與負(fù)載無關(guān)， 且負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的功能， 如能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓和精密的取樣電阻， 則可得到紋波很小的恒定電流。仿真結(jié)果表明該電路有很好的恒流效果。實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)， 為了達(dá)到更穩(wěn)定的輸出， 可在LM358 和IRF530 之間加入RC 濾波。

仿真實(shí)驗(yàn)表明，LM358( U2:A) 采用+ 5 V 電源供電時(shí)達(dá)不到要求的電流。為滿足設(shè)計(jì)要求， 可采用+ 12 V直流電源供電。此外，要達(dá)到2 000 mA 的輸出電流， 應(yīng)采用大功率且溫度系數(shù)小的取樣電阻， 對于高精度的應(yīng)用可采用康銅或錳銅絲作為取樣電阻， 如果精度要求不高， 也可采用水泥電阻。

由于集成運(yùn)放不可能提供很高的電流， 因此設(shè)計(jì)中采用功率場效應(yīng)管IRF530 進(jìn)行擴(kuò)流， IRF530 在散熱良好的條件下可以提供14 A 的電流， 導(dǎo)通電阻僅為0. 18Ω , 滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)需要大功率的電源為其供電， 根據(jù)設(shè)計(jì)的最大電流和負(fù)載值來確定電源參數(shù)。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)， 若負(fù)載在0~ 10 Ω， 采用+ 24 V 電源可以滿足設(shè)計(jì)要求， 并有一定余量， 因此實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以采用+ 24 V/ 3 A 的直流穩(wěn)壓電源。由于IRF530 漏電流的存在， 最小輸出電流不為零， 仿真實(shí)驗(yàn)表明該值大約在20 mA 左右。

2. 3 電流采樣模塊設(shè)計(jì)

電流采樣也就是將實(shí)際輸出的電流測量出來并顯示在LCD 上， 其基本原理是采集取樣電阻上的電壓， 并根據(jù)取樣電阻的值將其換算為相應(yīng)的電流， 這里采用10 位串行A/ D 轉(zhuǎn)換芯片T LC1543 采集電壓。為實(shí)現(xiàn)高精度的測量， 仍采用TL431 作為電壓基準(zhǔn)， 基準(zhǔn)值為2 V .值得一提的是， 若要求負(fù)載接地， 則負(fù)載和取樣電阻的位置應(yīng)調(diào)換， 此時(shí)， 測量取樣電阻兩端電壓時(shí)， 需用差分放大器進(jìn)行差分到單端的轉(zhuǎn)換。

2. 4 過流保護(hù)電路

為了防止外界干擾造成瞬間電流過大損毀器件， 設(shè)計(jì)過流保護(hù)電路， 采用專用電壓比較器LM311 實(shí)現(xiàn)， 比較器的參考電壓根據(jù)最大電流以及取樣電阻的阻值確定， 當(dāng)正常工作時(shí)比較器輸出低電平， 過流時(shí)輸出高電平， 單片機(jī)根據(jù)監(jiān)測到的電平變化觸發(fā)中斷將輸出電流置零。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)的C51 編程和PC 端基于LabVIEW 的監(jiān)控程序兩部分。單片機(jī)的C51 編程實(shí)現(xiàn)如下功能， 在圖2 中按數(shù)字鍵輸入設(shè)定電流， 之后按 確認(rèn)鍵，如輸入錯(cuò)誤， 可隨時(shí)按取消 鍵， 取消本次操作; LCD 第一行顯示設(shè)定值， 第二行顯示實(shí)際測量值， 如果實(shí)測值未達(dá)到所需值， 可以按步進(jìn)加減鍵進(jìn)行微調(diào)， 使輸出值最終滿足要求。軟件設(shè)計(jì)的核心是識別鍵值， 并通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理完成數(shù)據(jù)的輸入、顯示和電流控制功能。

圖4 計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面

通信功能已經(jīng)成為儀器儀表的重要功能之一， 利用串口通信功能， 計(jì)算機(jī)可以對恒流源的輸出電流進(jìn)行監(jiān)測，并可以在PC 上對恒流源進(jìn)行遠(yuǎn)端控制。我們采用LabVIEW 編寫了計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序， 并利用虛擬串口與Proteus 進(jìn)行了通信仿真調(diào)試。PC 端的控制界面如圖4 所示， 設(shè)置好通信參數(shù)后，輸入設(shè)定電流并確定即可， 前面板同時(shí)顯示出當(dāng)前儀器實(shí)際輸出的電流值。

4 結(jié)束語

經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)， 在理論上證明了本文所述數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)方案的可行性。在仿真成功的前提下， 我們設(shè)計(jì)并制作了實(shí)際電路， 經(jīng)實(shí)際測試， 與仿真結(jié)果十分接近， 滿足了設(shè)計(jì)要求。可見在借助Proteus 仿真技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤， 極大的提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本。