數(shù)控直流電流源 作者：李高望 陸樨 張江松 摘 要 利用單片機(jī)所具有的智能測控特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了基于單片機(jī)的“數(shù)控直流電流源”。該電流源具有設(shè)定準(zhǔn)確、輸出電流穩(wěn)定、可調(diào)范圍全程線性等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)由兩大模塊組成： 大功率壓控電流源模塊； 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)模塊。前者是電流源的核心，起著恒流調(diào)節(jié)、抑制紋波電流的關(guān)鍵作用；后者則起著設(shè)定電流源輸出、改善電流調(diào)節(jié)精度、消除小電流輸出的非線性等作用。此外，還實(shí)現(xiàn)了變增益測量，提高了電流的測量精度。本電流源采用 示界面，使用直觀方便。 y of of is be at a is of CU is of of of at by In to so we of CD to 一、方案論證 本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、顯示器、鍵盤、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、電壓控制電流源模塊、電源等組成。方案設(shè)計(jì)與論證如下： 1單片機(jī)的選擇 對單片機(jī)的要求：只要能夠方便地?cái)U(kuò)展顯示器、鍵盤、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 D/A 轉(zhuǎn)換器等外設(shè)即可，其他并無特殊要求。常見的單片機(jī)有 8051 系列的單片機(jī)、 8096系列的單片機(jī)、 凌陽單片機(jī)。臺灣凌陽科技股份有限公司生產(chǎn)的凌陽單片機(jī)具有集成度高、易于擴(kuò)展，中斷處理能力較強(qiáng)，指令系統(tǒng)很高效等特點(diǎn)，且本組成員均能夠熟練使用，故本設(shè)計(jì)選擇凌陽 16 位單 片機(jī)。 2顯示器的選擇 對顯示器的要求：能夠顯示設(shè)定的輸出電流、實(shí)際輸出電流等；可以用 6 位以上 碼顯示器、液晶顯示器或者觸摸屏， 用比較方便，但液晶顯示器和觸摸屏顯示信息量大，且可以顯示漢字，人機(jī)交互的友好性強(qiáng)，所以不采用數(shù)碼顯示器。而觸摸屏同時將鍵盤輸入和 示合為一體了，它只占用了 2個 ，選擇它既可以減少 的資源，又可以使外設(shè)精簡。故選擇觸摸屏作為顯示器。 3鍵盤選擇 單片機(jī)輸入設(shè)備通常有鍵盤、撥碼開關(guān)、觸摸液晶屏等，也可以采用紅外遙控的方法進(jìn)行輸入。鑒于本設(shè)計(jì)中的輸入設(shè)備主 要用于設(shè)定輸出電流值和（采用 碼顯示器時）切換顯示內(nèi)容，故不方便采用撥碼開關(guān)和紅外遙控，所以選擇鍵盤和觸摸液晶屏作為輸入設(shè)備都是可以的。本設(shè)計(jì)選擇觸摸液晶屏作為輸入設(shè)備。 4 A/D 轉(zhuǎn)換器 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)應(yīng)能測量顯示實(shí)際輸出電流的范圍及精度指標(biāo)是：范圍 20 2000度 1此可知， A/D 的精度至少要在 12 位以上，但由于只是用于測量顯示，因而測量速度要求不高；又因?yàn)闇y量對象為直流信號，故也沒有雙極性測量的要求。據(jù)此可以考慮采用以下具有變增益功能的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 方案一： 美國 司生產(chǎn)的 4 位半雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器，它采用單基準(zhǔn)電壓，能對雙極性輸入的模擬電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它具有自動量程控制信號輸出，自動極性判別信號輸出，動態(tài)字位掃描 輸出的特點(diǎn)，因此在轉(zhuǎn)換精度要求較高而采樣時間可以相對較慢的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。 方案二： 16 位分辨率的 A/D 轉(zhuǎn)換器， 2 通道全差分模擬輸入，使用 5V 單電源，主要應(yīng)用于低頻測量。它利用了轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 16 位無誤碼性能，三線數(shù)字接口，可以通過串行輸入接口由軟件配置芯片的增益值、輸入信號極性和數(shù)據(jù)更新速 率，非常靈活方便。具有自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，能夠消除器件本身和系統(tǒng)的增益以及偏移誤差，是用于開發(fā)智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于 統(tǒng)的理想產(chǎn)品。 由于其精度比 ，所以此處采用 5 D/A 轉(zhuǎn)換器 根據(jù)題目要求，所設(shè)計(jì)的直流電流源應(yīng)具有數(shù)控功能，按發(fā)揮部分的指標(biāo)要求，應(yīng)滿足輸出最大 2000進(jìn) 1要求；又因?yàn)樗O(shè)計(jì)的直流電流源為壓控電流源，因此，用“單片機(jī) D/A”的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能最為合適。根據(jù)指標(biāo)要求， D/A 的位數(shù)至少為 11 位，故而我們選擇 12 位的 D/A 轉(zhuǎn)換器。由于系統(tǒng) 對輸出電流設(shè)定的實(shí)時性沒有要求，所以選擇串行 12 位 D/A 節(jié)約單片機(jī)接口資源。 司生產(chǎn)的 12 位雙通道、三線串行輸入、電壓輸出的 D/A 轉(zhuǎn)換器。它不需要任何外圍器件就可達(dá)到最佳的性能指標(biāo)。 6壓控電流源 電壓控制的電流源模塊，可采用的方案有以下三種： 功率集成運(yùn)放，如 ； 運(yùn)放晶體三極管放大； 可調(diào)集成穩(wěn)壓模塊，如 方案一：直接使用功率集成運(yùn)放。特點(diǎn)：使用容易、性能穩(wěn)定可靠。常用的功率集成運(yùn)放一般能夠輸出 40V， 10 15A 的功率，性能指標(biāo)也較高，完全能夠滿足本題要求。功率集成運(yùn)放還可以雙極性輸出，但本題只需單極性輸出，卻需要為功率集成運(yùn)放配置正負(fù)雙電源。 方案二：利用三端可調(diào)直流穩(wěn)壓集成芯片，通過調(diào)整其輸出電壓來實(shí)現(xiàn)負(fù)載的恒流特性。特點(diǎn)：直接利用穩(wěn)壓片提供所需功率，只需要添加相應(yīng)控制電路即可實(shí)現(xiàn)本題的大部分要求，但是，其電流調(diào)整率指標(biāo)只能達(dá)到 不滿足題目要求， 方案三：采用“運(yùn)放功率三極管”的結(jié)構(gòu)構(gòu)成恒流源。特點(diǎn)：性能滿足本題要求，同時可以通過選用功率三極管的不同容量來滿足不同的應(yīng)用要 求。 鑒于上述原因，我們選用方案三。 7電源 設(shè)計(jì)了兩套直流穩(wěn)壓電源，一套為單片機(jī)及其外設(shè)提供工作電源，另一套為大功率三極管及其電流源負(fù)載提供電源，兩套電源分開，可以提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。 （ 1）為單片機(jī)系統(tǒng)提供電源的直流穩(wěn)壓電源 該電源按常規(guī)設(shè)計(jì)，輸出電壓等級有 5V， 15V。電路原理圖如圖 1、圖2 所示。 圖 1 +5V 電源 圖 2 5V 與 15V 電源 （ 2）為電流源負(fù)載提供功率的電源 在對為電流源負(fù)載提供功率的電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時，我們考慮了兩套方案：直接采用不穩(wěn)壓的整流電源； 采用直流穩(wěn)壓 電源。考慮到系統(tǒng)對容量的要求以及對紋波電流的要求，我們選擇了用 成的可調(diào)穩(wěn)壓電源。其優(yōu)點(diǎn)是： 可以進(jìn)行預(yù)穩(wěn)壓，以提高輸出電流對輸入交流電源電壓變化的穩(wěn)定度； 為壓控電流源電路提供具有穩(wěn)壓特性且很小紋波的高質(zhì)量的工作電源，以有效降低輸出電流紋波系數(shù)； 可以根據(jù)輸出電壓要求合理整定壓控電流源電路的工作電壓，在 末級功率三極管間分散負(fù)擔(dān)并合理分配功率損耗，方便散熱；其電路原理圖如圖 3 所示。 圖 3 21V 可調(diào)電源 穩(wěn)壓電源電路輸出電壓為： 1 1+ 2 輸出調(diào)節(jié)電路中固定電阻 1取 150，此時 o 212 位器 0k 精密線繞電位器，因整流橋輸出為 26V 直流電，故 滿足 15V 需求，經(jīng)測量，最大可達(dá)到 21V。輸入輸出端濾波電容各取 2 4700 F，以減小紋波電壓，穩(wěn)定輸出電壓，增強(qiáng)帶負(fù)載能力。選取 防止輸出輸入短路時燒毀芯片。 二、電路設(shè)計(jì) 1 A/D 轉(zhuǎn)換（ (1) 資源分配 了使將它的數(shù)據(jù)更方便的讀出來，將它放在第一位，初始化為帶上拉電阻的輸入口； 始化為帶上拉電阻的輸入口； 數(shù)據(jù)緩存器輸出低電平； 數(shù)據(jù)緩存器輸出低電平； 數(shù)據(jù)緩存器輸出低電平； (2)硬件電路設(shè)計(jì) 圖 4 為 引腳連接圖。 圖 4 引腳連接圖 23 腳間的晶振用小的好，這里采用 1電容效果更佳。 地。 在電源 觸處，加兩個 濾波電容，一個 10 F 的電解電容和一個 的獨(dú)石電容，以穩(wěn)壓用。芯片的電源供電越穩(wěn)定，紋波越小，其性 能越好，采樣值越穩(wěn)定。 2 D/A 轉(zhuǎn)換（ (1)資源分配 相低電平輸出； 相低電平輸出； 相高電平輸出。 (2)硬件電路設(shè)計(jì) 如圖 5 所示，在正電源 負(fù)電源 也加上了兩個濾波電容，一個10 F 的電解電容和一個 的獨(dú)石電容，同 的同樣是穩(wěn)壓?？梢允请娫醇y波小，使芯片工作時性能好，輸出的波形更加穩(wěn)定。為之后穩(wěn)定電流的輸出奠定了良好的基礎(chǔ)。 圖 5 引腳連接圖 3壓控電流源 模塊 電壓控制的電流源電路如圖 6 所示。 壓控電流源模塊主要由給定與比較放大單元、功率放大單元和電流反饋單元組成。給定與比較放大單元由 其外圍阻容器件組成，起著計(jì)算給定電流與實(shí)際輸出電流偏差并進(jìn)行放大的作用。與 聯(lián)的電容器 加速反饋的作用，與運(yùn)放反饋電阻并聯(lián)的電容器濾波作用，二極管 電壓鉗位作用，用以保護(hù)運(yùn)算放大器；功率放大 單元由 其配套阻容器件組成，為滿足最大輸出容量（ 10V， 2000要求，選取最嚴(yán)重工況（負(fù)載端短路且輸出 2000算 功率損耗： （ 10 5） V 2A 30W 式中， 5V 是考慮電流源輸出 10V 電壓，輸出 2A 電流時，為 出的 間電壓。為可靠起見，留有足夠的功率裕量和安全系數(shù)，選擇 型號為： 2 圖 6 電壓控制的電流源 其主要技術(shù)參數(shù)如下： 100V， 25A，允許管耗 300W。 紋波抑制作用，二極管 以保護(hù)功率三極管 止其承受反壓而損壞；電流反饋單元由儀用放大器 低噪聲運(yùn)放 成，前者對串聯(lián)在負(fù)載回路的康銅絲兩端電壓進(jìn)行取樣，康銅絲是一種溫度特性佳的阻性元件，其兩端電 壓正比于流過的電流，因此該電壓的反饋就是負(fù)載電流的反饋。儀用放大器具有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，特別適合對小信號進(jìn)行放大。 為二級放大且其輸入端設(shè)置一個反饋系數(shù)調(diào)節(jié)用的精密電位器，起著輸出電流校正之功用。 4負(fù)載電流、負(fù)載電壓的測量 負(fù)載電流、電壓測量電路如圖 7 所示。負(fù)載電流測量電路與電流源電路中的電流反饋環(huán)節(jié)相同，可調(diào)電位器用作測量回路的增益；負(fù)載電壓測量電路具有相同結(jié)構(gòu)，只是 取樣點(diǎn)是經(jīng) 壓得到的，以保證 作在最大允許輸入電壓值的范圍內(nèi)；注意到負(fù)載電壓測量電路的這種取樣方式，實(shí)際所測的是負(fù)載電壓與康銅絲電壓之和，真正的負(fù)載電壓需要減去康銅絲電壓。設(shè)置測量上述兩個測點(diǎn)的電壓，可以直接得到負(fù)載電流并通過計(jì)算得到負(fù)載電壓以及負(fù)載的直流電阻阻值。 圖 7 負(fù)載電流、電壓測量電路 觸摸屏的型號及具體參數(shù) 觸摸液晶屏是采用 司的觸摸屏控制芯片 于置 12 位 A/D，理論上觸摸屏的輸入坐標(biāo)識別精度為有效長寬的1/4096。它是一個低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的串行接口芯片。供電電壓 5V，參考電壓 1V 換電壓的輸入范圍為 0 高轉(zhuǎn)換速率為 125 觸摸屏控制芯片 電路圖 觸摸液晶屏的控制芯片， 51 系列單片機(jī)。 圖 8 觸摸和顯示主電路 三、軟件設(shè)計(jì) 1 主程序流程圖 主程序流程如圖 9 所示。 圖 9 主程序流程圖 2 A/D 轉(zhuǎn)換（ 收數(shù)據(jù)的流程圖與發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖 ，此處不再贅述。但對于編程中需要注意的地方，做以下說明。 每次對芯片發(fā)數(shù)據(jù)的時候，都要首先對通訊寄存器寫數(shù)據(jù)，否則一切指令無效； 對于選中芯片，可以有兩種方法： S 腳置低； 低以后再置高，使芯片復(fù)位一次。 一般情況下選擇方案 a，但若開始轉(zhuǎn)換以后不能停止，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯，就必須用方案 b。此處我們采用方案 b，以防萬一。 在拉低 后，要給予足夠的時間讓芯片復(fù)位，否則復(fù)位時間太短也會導(dǎo)致出錯。程序中許多延時是必須的，因?yàn)?于低頻高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器。 此 處我們采用了雙通道 A/D 采樣。一通道對康銅電阻采樣，目的是為了顯示當(dāng)前電流的輸出值。二通道對可變負(fù)載電阻兩端的電壓采樣，此處是我們的發(fā)揮部分，目的是測出了負(fù)載兩端的電壓值，輸出的電流又是已知的，從而可以測得負(fù)載電阻的當(dāng)前值。 3觸摸屏的程序設(shè)計(jì) 觸摸屏的主程序流程圖如圖 10 所示。 開始 始化 輸入電流設(shè)定值 出 負(fù)載電流測量 顯示 掃描鍵盤 圖 10 觸摸屏程序主循環(huán)流程圖 四、性能測試 1測量儀器 （ 1） 字萬用表 6 21 高性能數(shù)字萬用表，可以高精度測量電壓與電流。 測量電流 量程： 10適用于 100適用于 1A、 3A。 最高分辨率： 10 10程）。 術(shù)： 合。 測量電壓 量程： 1001V、 10V、 100V 或 1000V（ 750 最大分辨率： 100 100量程時）。 術(shù)： 合測量。 （ 2）示波器 采用 通道數(shù)字存儲示波器，最大帶寬 601GS/s。 2校準(zhǔn) （ 1）設(shè)定值校準(zhǔn) 在負(fù)載回路中串聯(lián)接入精密電流表計(jì)，設(shè)置 D/A 輸出值為 4000（ 12 位 D/A，否 是 否 是 開始 延時去抖 取觸摸屏 換值 轉(zhuǎn)換鍵值 顯示處理 向上位機(jī)傳送設(shè)定值 觸摸屏有按下 觸摸屏有按下 對應(yīng)電流 給定值 2000調(diào)節(jié)反饋增益電位器，使電流源輸出 2000 （ 2）測量值校準(zhǔn) 在精密電流表計(jì)顯示 2000，調(diào)節(jié)測量回路增益電位器使單片機(jī)顯示2000 3 測量數(shù)據(jù)記錄 測試設(shè)定電流與精密電流表的電流讀數(shù)，同時對比單片機(jī)的實(shí)測電流顯示值，記錄在表 1 中。 表 1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 電流設(shè)定值 Ip/流實(shí)際值 Io/片機(jī)顯示 Is/波電壓 Vw/5 0 0 0 00 00 00 000 400 800 000 020 變負(fù)載電阻，讓輸出電壓從 0 10V 以內(nèi)變化時，測出輸出電流變化的絕對值，測試結(jié)果如表 2 所示。 表 2 電流隨 負(fù)載改變的測試數(shù)據(jù) 設(shè)定電流值 /電壓值 /V 輸出電流值 /流變化絕對值/0 00 2000 注：由于電阻負(fù)載比較小，所以電壓范圍不大。 4 結(jié)論 電流設(shè)定值 輸出電流與設(shè)定值偏差的絕對值， |偏差絕對值占電流設(shè)定值的百分比，題目要求其百分比要不大于 1： p 100 單片機(jī)顯示值， 電流實(shí)際值， 電流實(shí)際值與單片機(jī)顯示值偏差的絕對值 |偏差的絕對值占單片機(jī)顯示值的百分比， s 100 表 3 數(shù)據(jù)處理和誤差分析 電 流 設(shè) 定 值Ip/出電流與設(shè)定值偏差的絕對值Ia/差占電流設(shè)定值的百分比 電流實(shí)際值與單片機(jī)顯示值的偏差 Id/差占單片機(jī)顯示值的百分比 15 0 0 0 00 00 00 000 400 800 000 2020 ：計(jì)算 ，未減去 1算 未減去 3 個字。 測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)制作的“數(shù)控直流電流源”符合設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)定的基本部分和發(fā)揮部分的各項(xiàng)要求，達(dá)到 了發(fā)揮部分規(guī)定的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 五、誤差分析 由于選擇 A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換器精度高過指標(biāo)要求的精度 2 倍以上，測量器件采用高精度儀用放大器，所以可以保證設(shè)定值和測量值的精度要求； 采取抑制高增益電路振蕩的有效措施和使用高質(zhì)量穩(wěn)壓電源供電等措施，使得輸出電流的諧波大大低于設(shè)計(jì)要求； 為彌補(bǔ)負(fù)反饋增益偏低負(fù)載調(diào)整率不夠的不足，采用了雙閉環(huán)控制手段，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)流精度。 六、創(chuàng)新部分 1利用單片機(jī)的測控和運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)輸出電流的精度補(bǔ)償 精度補(bǔ)償原理：將實(shí)測負(fù)載電流與給定電流比較，求出偏差，再根據(jù)偏差的方向及大小，用“積分”的調(diào)節(jié)計(jì)算方法，計(jì)算得出補(bǔ)償值，將此補(bǔ)償值迭加到給定電流上，一起送到壓控電流源單元的輸入端，即可實(shí)現(xiàn)“無差調(diào)節(jié)”，即做到輸出電流完全等于給定電流。精度補(bǔ)償效果的好壞，關(guān)鍵在于能否做到高精度地測量負(fù)載電流。 2 設(shè)定值與輸出值低端的非線性補(bǔ)償 電流源在小電流輸出時，由于地噪聲的干擾，使 D/A 輸出電壓的信噪比大大降低，導(dǎo)致設(shè)定電流與實(shí)