直流數控電流源的設計與實(shí)現

直流電流源作為穩定電源的分支，在工程技術(shù)和測量領(lǐng)域中有著(zhù)重要的實(shí)用價(jià)值，其涉及的應用由穩定電磁場(chǎng)、校正電流表等擴展至激光、超導、現代通信和傳感技術(shù)等領(lǐng)域?；谀M電路的電流源雖然可以實(shí)現高精度、寬電流范圍輸出，但其結構復雜, 調整困難，指示不直觀(guān)。隨著(zhù)單片機技術(shù)的發(fā)展，數字控制電流源開(kāi)始出現，其以控制靈活、調節方便等特點(diǎn)展示了良好的應用前景。

一般的恒流電流源往往是電流值固定，或是有限數值檔的電流值輸出，不便于通用。數字控制的電流源則通過(guò)單片機作為核心控制器，通過(guò)鍵盤(pán)設置所需的電流值，電流值取值范圍大，使用方便靈活。
本文將介紹數字電流源設計方案，實(shí)現基于單片機控制的程控電流源硬件及軟件設計。

數控電流源硬件設計
數字控制電流源可以有多種方案，如基于PWM技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源、基于模擬器件的模擬反饋壓控，以及基于微控制器的數字反饋數控方案。本設計采用基于微處理控制器的數字控制方案，硬件系統框圖如圖1所示。利用單片機AT89C51將輸入的控制信號進(jìn)行處理輸出數字量，再把輸出的數字量轉換成模擬電壓量，最后把轉換后的模擬電壓量進(jìn)行電壓/電流的轉換供給負載。

圖1 硬件電路框圖

1 單片機控制與顯示電路
直流數控電流源原理圖如圖2所示?？刂齐娐酚葾T89C51、晶振、按鍵等構成，包括單片機時(shí)鐘電路、復位電路以及按鍵輸入電路。

該電路的工作原理為：AT89C51單片機通電后復位，P0和P1口均輸出高電平。當按鍵輸入電路給電路輸入控制信號后，通過(guò)程序控制經(jīng)過(guò)內部處理，在P0及P1口輸出處理后的信號。P0的信號送至DAC0832的數字輸入端進(jìn)行數模轉換，P1的輸出信號送至顯示電路進(jìn)行顯示。

鍵盤(pán)作為輸入控制的信號，如圖2所示，總共有8個(gè)按鍵，具體功能為：++鍵用于實(shí)現步進(jìn)加，--鍵用作實(shí)現步進(jìn)減，S1～S4用于實(shí)現從最低位至最高位設置時(shí)的位選，位選后，由+、-鍵調節各位的數值。

顯示電路用于指示輸出電流的數值，電路主要由四個(gè)相連的共陽(yáng)極數碼管和驅動(dòng)電路組成。AT89C51的P1和P2口連接顯示電路，其中，P1口的8個(gè)引腳用來(lái)控制數碼管的段碼。用三極管V5～V8組成數碼管四個(gè)位的驅動(dòng)電路，再分別與單片機的P2.4～P2.7相連實(shí)現對位的控制。

圖2 直流數控電流源原理圖

2 D/A轉換電路
D/A轉換電路由數模轉換器DAC0832和運放LM324構成。DAC0832芯片是一個(gè)8位D/A轉換器，有8個(gè)數碼輸入端，1個(gè)模擬輸出端，能將控制電路輸出的8位二進(jìn)制數字量轉換成模擬量的輸出，送給后級的V/I轉換電路。

運放A4輸出電壓為：
（1）
式中，Vref為外接參考電壓，D7～DO為8位輸入數字量。
當輸入數字量在00000000～11111111之間變化時(shí)，其對應的輸出模擬電壓U1在0～-Vref之間，電壓分辨率為：△V=5V/(28-1)=19.6mV。

3 V/I轉換電路
V/I轉換電路是整個(gè)電流源的關(guān)鍵部分，其電路圖2所示，主要由運放LM324和電流擴展電路構成。運放A1構成加法器，有U2=-(U1+U5)。三極管V1、V2、V3、V4構成電流擴展電路，以便有足夠的輸出電流。A2構成電壓跟隨器，有U4=U3。A3是反相器，有U5=-U4，則U5=-U3。

電阻RM上的壓降UM為：UM=U2-U3=-(U1-U3)-U3=-U1，則通過(guò)負載RL的電流I為：I=UM/RM=-U1/RM。
可見(jiàn)，輸出電流I僅由電壓U1和電阻RM決定。當U1和RM一定時(shí)，I保持恒定。U1是由數模轉換器得到，則該恒流源的電流大小由數字量決定。

軟件編程

圖3 軟件流程圖

軟件流程如圖3所示，程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。用仿真機進(jìn)行功能調試，實(shí)現全部功能，然后把程序寫(xiě)入AT89C51芯片，固化成功后，便可進(jìn)行獨立運行。
主程序部分代碼。
　void main()
　{unsigned char Debugging=0;
unsigned char Sampling=0;
while (1)
{ Sampling =P2|0xf0; //采樣鍵盤(pán)信號
if (Sampling!=0xff) //如果有鍵盤(pán)按下執行下列程序
┇//處理鍵盤(pán)程序
┇//顯示程序
┇//電流輸出程序
}}

實(shí)驗結果
測試結果表明（見(jiàn)表1），負載RL阻值在0～5Ω變化時(shí)，最大絕對誤差△I=|測試電流值-輸出電流值|=10mA；相對誤差為=絕對誤差/顯示電流值=1％；

另一測試結果表明（見(jiàn)表2），最大紋波系數=紋波電流值/設定輸出電流值=1.5%；

表3所示為部分設定輸出值與實(shí)際測試值的數據對照。設定輸出值和測試值的比較曲線(xiàn)如圖4所示，從圖中可得，步進(jìn)誤差較小，其設定輸出在0～1000mA時(shí)，實(shí)際測試值為0～990mA，最大絕對誤差△I=10mA，最大相對誤差為1％。

圖4 設定輸出值和測試值的比較曲線(xiàn)

若電流精度不夠(設定輸出值與實(shí)際測試值存在較大誤差)時(shí)，可采用12位的D/A，并增加模數轉換采樣電路，將輸出值反饋回單片機，并由單片機程序實(shí)現校正。此外，電路中RM可以選用精密電阻以減少誤差。

結語(yǔ)
本文詳細介紹了一種基于單片機控制的直流數控電流源。該電源由單片機接收鍵盤(pán)的輸入數據，將設定的電流值通過(guò)D/A轉換器轉換為控制電壓，再轉換為電流輸出，同時(shí)將設定電流在數碼管上顯示。整個(gè)數控電流源具有很高的性?xún)r(jià)比，穩態(tài)精度高，控制部分電路簡(jiǎn)明，結構緊湊，工作穩定可靠，應用前景廣闊。