基于單片機的高精度數字直流電流源設計
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直流電流源是一種應用廣泛的電子儀器，對于要求輸出電流可調的情況，最簡(jiǎn)單實(shí)用的方法是通過(guò)軟件控制來(lái)實(shí)現。使用單片機作為主控部件，系統設計簡(jiǎn)單方便。本文設計的直流電流源是以凌陽(yáng)61單片機系統[1，2]為核心,采用12位外部擴展MAX531DA和MAX197AD芯片，并在外部電流輸出模塊中引入PI控制[3]，構成電流閉環(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 系統結構圖
2 系統原理與設計方案
系統主電路采用全橋整流電路作為負載電路電源，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?yáng)61單片機，單片機掃描鍵盤(pán)顯示接口，當有鍵按下時(shí)，鍵值通過(guò)83編碼器CD4532讀給單片機。單片機控制DA轉換，轉換輸出值經(jīng)過(guò)電流源輸出模塊輸出。輸出電流經(jīng)采樣放大電路一方面傳遞給AD轉換器轉換成數字量信號，經(jīng)處理后換算成相應的電流值，最終通過(guò)液晶顯示；另一方面結合模板PI調節器實(shí)現電流閉環(huán)控制，以保證輸出電流值無(wú)靜差跟蹤程控給定電流。整個(gè)控制系統采用模塊化設計思想，系統結構如圖1所示。
3 硬件電路設計
3.1 負載電路電源設計
本設計沒(méi)有采用開(kāi)關(guān)電源。因為開(kāi)關(guān)電源采用高頻斬波電路，雖然可以在輸入電壓波動(dòng)比較大的情況下高效保持穩定的直流輸出，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(kāi)關(guān)電源對控制電路造成干擾、提高控制和輸出精度，本系統采用傳統的全橋整流電路，作為負載電路電源。
使用輸出功率50W、變比220/15的變壓器，經(jīng)全橋整流后加30000μF電容穩壓濾波輸出21V直流電壓，再串入扼流線(xiàn)圈用于減小電流紋波。
本電路還加載了過(guò)流保護功能，使用電壓比較器檢測電阻的電壓，當檢測電壓超過(guò)最高設定電壓時(shí)，電壓比較器輸出高電平，通過(guò)DA的CLR腳使DA清零從而使得負載電流為零，達到過(guò)流保護目的。
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)，調節PI控制器的比例放大系數，使DA輸出量和實(shí)際采樣檢測值之間保持線(xiàn)性關(guān)系。系統電流閉環(huán)消除了由運放引起的非線(xiàn)性誤差，并有效抑制模擬電路部分的非線(xiàn)性對AD轉換電路的干擾，簡(jiǎn)化了軟件部分的設計。實(shí)驗表明，系統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(shí)間和放大系數的改變。
3.2.2電流放大輸出
從PI控制輸出的電流較小，無(wú)法滿(mǎn)足系統輸出電流20mA-2000mA的要求，需附加電流放大電路。為了使電流源帶負載能力更強，電流放大電路接一個(gè)PNP型大功率三極管MJ2955輸出，采用NPN型通用三極管9013驅動(dòng)MJ2955?？紤]到MJ2955的電流比較大，功耗大、發(fā)熱嚴重，系統中使用了散熱器并強迫風(fēng)冷，以保證MJ2955不被燒壞。PI調節電路及主電路如圖2。
3.2.3 負載電路
電源輸出端并聯(lián)30000μF的大電容穩壓后，再串聯(lián)π型濾波電路濾波，減小電流波動(dòng)干擾；在負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
系統要求電流源輸出電流范圍為20mA到2000mA。當輸出電流為2000mA時(shí)，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?？点~絲的電阻溫度系數比較小，因此系統選用康銅絲作為采樣電阻，用多根較粗的康銅絲并接，同時(shí)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轉換模塊的選擇
凌陽(yáng)61單片機自帶8個(gè)通道的10位AD轉換器，其中7個(gè)為普通AD轉換通道，另一個(gè)為語(yǔ)音信號輸入通道；61單片機也有兩路DA轉換。61單片機的10位AD和DA轉換分辨精度為1/1024，而系統輸出電流的誤差絕對值要求小于1mA，因此，應該選用更高位數的AD和DA轉換芯片。系統采用12位AD芯片MAX197和12位DA芯片MAX531，基本滿(mǎn)足精度要求。
為提高AD和DA的可靠性，增加系統的抗干擾能力，提高轉換精度，系統中對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換電路。在沒(méi)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(yáng)61單片機最小系統
SPCE061A主要包括輸入/輸出端口、定時(shí)器/計數器、數/模轉換、模/數轉換、串行設備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監測和復位等部分，并且內置在線(xiàn)仿真電路ICE接口，較高的處理速度使其能夠快速的處理復雜的數字信號。SPCE061A 單片機應用領(lǐng)域非常廣泛，例如應用在家用電器控制器、工業(yè)控制領(lǐng)域。
3.4.2 單片機與AD、DA轉換的接口電路
系統采用單片機作為AD和DA轉換的控制模塊，只需考慮外部接口電路的設計，即可方便實(shí)現控制過(guò)程。芯片MAX531，MAX197均采用內電壓基準工作模式，單電源+5V供電。MAX531內部給出2.048V基準電壓，MAX197內部給出4.096V基準電壓。MAX531提供兩倍增益，即輸出電壓從0V到+4.096V。
由于凌陽(yáng)61單片機沒(méi)有類(lèi)似于51單片機的控制總線(xiàn)，本系統中對AD、DA的讀寫(xiě)等控制信號均采用輸出口模擬的方式來(lái)提供。AD和DA轉換電路如圖3和圖4。
3.4.3 鍵盤(pán)和顯示模塊
本系統沒(méi)有采用凌陽(yáng)61單片機自帶的四鍵鍵盤(pán)，而是用83編碼器CD4532擴展了8個(gè)鍵。這樣可以分級“+”,“-”調整電流源輸出，達到步進(jìn)1mA，10mA和100mA。系統提供了一個(gè)方便的用戶(hù)操作界面，體現了人性化設計的思想。
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