基于LPC938的高精度數控直流電流源的設計

總體方案選擇與設計
1方案論證與比較
① 主電路及調整方式的選擇

方案一 開(kāi)關(guān)穩壓調整
開(kāi)關(guān)穩壓調整方式效率高，普遍應用于計算機等現代數字儀器中，但一般紋波較大，難以控制，很有可能造成設計的失敗和技術(shù)參數的超標。

方案二 串聯(lián)反饋調整
該方案采用負反饋網(wǎng)絡(luò )，從輸出電壓取樣與基準電壓比較，并將誤差經(jīng)放大器放大后反饋至調整管，使輸出電壓在電網(wǎng)電壓變動(dòng)的情況下仍能保持穩定。該電路輸出電壓穩定性好，負載調整率高，引入的負反饋使紋波電壓大大減小，且電路簡(jiǎn)單、容易調試。但其屬于線(xiàn)性穩壓源，即調整管工作在放大區，因而功耗比較大。

方案三 綜合以上兩種方案
結合開(kāi)關(guān)穩壓調整與串聯(lián)反饋調整的優(yōu)點(diǎn)，在串聯(lián)反饋調整的基礎上增加一級預穩壓，構成智能恒壓差系統，在保證調節范圍的基礎上減少功耗。

② 控制方案的論證比較
方案一 計數式數字電路控制
此方案使用計數器來(lái)來(lái)控制輸出電流的步進(jìn)，是一種采用小規模數字電路的控制方法。其優(yōu)點(diǎn)是不需要軟件支持，但元件多、硬件電路復雜、控制呆板、步進(jìn)難以改變，且精度不高，難以達到設計要求。

方案二 CPLD控制
采用大規模數字邏輯電路CPLD，能夠實(shí)現高精度控制，功耗也不大，但其成本高、設計復雜。

方案三 單片機控制
單片機控制系統具有成本低、控制靈活的特點(diǎn)，通過(guò)軟件的編制能夠實(shí)現多種控制算法，且控制精度高、功耗低；特別是現代的增強型單片機，具有D/A、A/D、PWM、ICP等多種功能，能夠單片完成較復雜的控制要求，所以選擇單片機控制方式。

2 總體方案設計
綜上所述，我們設計了響應速度快的模擬內環(huán)和調節精度高的數字外環(huán)雙閉環(huán)調節系統。此系統通過(guò)面板按鍵對電流值進(jìn)行預置，單片機輸出相應的數字信號，經(jīng)過(guò)PWM控制、信號放大、電平轉換，通過(guò)串聯(lián)式穩壓調整管輸出電流信號。實(shí)際輸出的電流再利用精密電阻采樣變成電壓信號，經(jīng)過(guò)高輸入阻抗、高精度放大器、A/D轉換器，將信號反饋到單片機中。單片機將輸出反饋信號再與預置值比較，送出調整信號，再輸出新的電流。這樣就形成了模擬內環(huán)和數字外環(huán)的雙閉環(huán)調節，提高了輸出電流的范圍、精度、電壓調整率和負載調整率，降低了功耗和紋波，并且電路簡(jiǎn)單、步進(jìn)可調、可擴展能力強（見(jiàn)圖1）。

圖1 總體設計方案

理論分析、電路設計與參數計算
電流源的硬件部分主要由單片機系統及A/D接口電路、PWM智能控制恒壓差及串聯(lián)調整模塊、鍵盤(pán)與顯示電路、控制電源模塊等組成。下面將分別對各部分進(jìn)行分析并給出實(shí)現方案。

1 單片機系統及A/D接口模塊
單片機選P89LPC938，它是基于80C51內核的高速、低功耗的帶片內8Kb F1ash的8位單片機，其指令執行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標準80C51器件。P89LPC938內部主要集成了字節方式的I2C總線(xiàn)、SPI接口、UART通信接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、EEPROM、PWM、ICP、A/D轉換等一系列有特色的功能部件。

本設計需要三路A/D采樣，其中對電流的采樣要有很高的精度，考慮到控制精度要求，我們用16位的ADS1100芯片（含PGA放大器）對輸出電流進(jìn)行采樣，用938單片機的10位A/D轉換器對另外兩路信號進(jìn)行采樣（P0.1，P0.2）。

由于P89LPC938和ADS1110內部均帶有I2C總線(xiàn)，所以它們的連接很簡(jiǎn)單。P89LPC938的P2.2，P2.3，P2.4，P2.5腳用于鍵盤(pán)顯示功能，P2.6，P1.6用于PWM的輸出。

2 PWM智能控制恒壓差及串聯(lián)調整模塊
此部分是整個(gè)硬件設計的核心，它直接關(guān)系到輸出電流的范圍、精度、紋波與電路的功耗。經(jīng)過(guò)反復調試，我們設計的系統結構如下（見(jiàn)圖2）。

圖2 系統總體框圖