基于AVR單片機(jī)PWM功能的低成本高精度數(shù)控恒流源

　　隨著電子技術(shù)的深入發(fā)展，各種智能儀器越來(lái)越多，涉及領(lǐng)域越來(lái)越廣，而儀器對(duì)電源的要求也越來(lái)越高?，F(xiàn)今，電源設(shè)備有朝著數(shù)字化方向發(fā)展的趨勢(shì)。然而絕大多數(shù)數(shù)控電源設(shè)計(jì)是通過(guò)高位數(shù)的A/D和D/A芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這雖然能獲得較高的精度，但也使得成本大為增加。本文介紹一種基于AVR單片機(jī)PWM功能的低成本高精度數(shù)控恒流源，能夠精確實(shí)現(xiàn)0～2A恒流。

系統(tǒng)框圖

　　圖1為系統(tǒng)的總體框圖。本系統(tǒng)通過(guò)小鍵盤(pán)和LCD實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流，小鍵盤(pán)負(fù)責(zé)接收要實(shí)現(xiàn)的電流值，LCD 12864負(fù)責(zé)顯示。AVR單片機(jī)根據(jù)輸入的電流值產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM波，經(jīng)過(guò)濾波和功放電路后對(duì)壓控恒流元件進(jìn)行控制，產(chǎn)生電流，電流再經(jīng)過(guò)采樣電阻到達(dá)負(fù)載。同時(shí)，對(duì)采樣電阻兩端信號(hào)進(jìn)行差分和放大，送入ADC。單片機(jī)根據(jù)采集到的值調(diào)整PWM輸出，從而調(diào)整了輸出電流。如此反復(fù)，直到電流達(dá)到設(shè)定要求。

圖1 數(shù)控恒流源系統(tǒng)框圖

　　模塊介紹

　　1 人機(jī)接口模塊

　　本模塊包括小鍵盤(pán)電路和液晶顯示電路。鍵盤(pán)設(shè)計(jì)為3×4鍵盤(pán)，由數(shù)字鍵0～9，功能鍵“

　　2 核心控制模塊

　　系統(tǒng)的核心控制模塊為AVR單片機(jī)（ATMEGA 16L）。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。

　　AVR單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)具有16位PWM功能的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。在普通模式下，計(jì)數(shù)器不停地累加，計(jì)到最大值（TOP=0xffff）后溢出，返回到最小值0x0000重新開(kāi)始。當(dāng)啟用PWM功能即在單片機(jī)的快速PWM模式下，通過(guò)調(diào)整OCR1A的值可實(shí)現(xiàn)輸出PWM波的占空比變化。產(chǎn)生PWM波形的機(jī)理是：PWM引腳電平在發(fā)生匹配時(shí)（匹配值為0～0xffff之間的值，如圖2中的C），以及在計(jì)數(shù)器清零（從MAX變?yōu)锽OTTOM）的那一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)生跳變，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 PWM波產(chǎn)生過(guò)程

　　圖2中的C～F為OCR1A匹配值。從圖中可見(jiàn)，波形在每個(gè)匹配值處以及計(jì)數(shù)清零時(shí)輸出發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了PWM波。由于OCR1A的值可以從0x0000到0xffff，共有65535個(gè)值，因此PWM波的最大分辨率為1/65535，滿足系統(tǒng)分辨率設(shè)計(jì)要求。PWM波的頻率為：

（1）

　　其中，fclk_I/O為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 （7.3728MHz），N為分頻系數(shù)（取1、8、64、256或1024）。在N取1時(shí)，根據(jù)式（1）得PWM波的最大頻率為7.3728MHz；當(dāng)N取1024時(shí)，PWM波的最小頻率為 7.2kHz。本系統(tǒng)N取256，PWM波頻率為28.8kHz。

　　單片機(jī)內(nèi)部有1個(gè)10位的逐次逼近型ADC，當(dāng)使用片內(nèi)VCC作為參考電壓Vref，其分辨率為：

（2）

　　若使用片內(nèi)的2.56V基準(zhǔn)源作為參考電壓，依據(jù)式（2）可得到其分辨率為0.003V。

　　當(dāng)系統(tǒng)需要更高的分辨率時(shí)，可以通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方法可參考相關(guān)資料。