基于Proteus的數控恒流源仿真研究

0 引 言

在測試計量、半導體性能測試等許多工業(yè)和科學(xué)實(shí)驗領(lǐng)域都會(huì )用到恒流源， 研究并設計一款智能化的高精度恒流源具有十分廣泛的應用價(jià)值。但在一個(gè)電子產(chǎn)品研制過(guò)程中， 必須反復進(jìn)行設計、試制和調試， 而實(shí)物試制和調試是一項費時(shí)和費力的工作， 往往是事倍功半， 導致系統開(kāi)發(fā)周期長(cháng)， 成本高。隨著(zhù)大規模集成電路和計算機的迅速發(fā)展， 計算機仿真技術(shù)徹底改變了以往電子系統設計中完全依靠人工進(jìn)行參數計算、電路實(shí)驗、實(shí)物試制和系統調試的傳統設計方法， 利用EDA 仿真軟件， 對已存在的系統或設想中的不同設計方案在計算機上進(jìn)行仿真分析，同時(shí)與實(shí)物試制和調試相結合， 從而優(yōu)化元件參數， 提高系統性能， 最大限度地降低了設計成本， 縮短了系統研制周期。Proteus 是一款功能強大的系統設計輔助類(lèi)EDA仿真軟件， 采用該軟件對數控恒流源進(jìn)行設計、分析、研究和實(shí)驗， 可以達到研制和開(kāi)發(fā)實(shí)際電子產(chǎn)品的目的。

本文研究采用Proteus 仿真軟件， 利用單片機技術(shù)進(jìn)行數控恒流源開(kāi)發(fā)的方法。

1 系統概述

單片機技術(shù)的普及使電子產(chǎn)品進(jìn)入了智能化時(shí)代， 以單片機為核心的數控恒流源整體設計方案如圖1.本系統主要包括矩陣鍵盤(pán)輸入模塊、數控模塊、恒流電路模塊、電流采樣模塊、串口通信模塊、PC 監控界面。設計輸出電流范圍20~ 2 000 mA, 步進(jìn)2 mA.

圖1 數控恒流源系統結構

該系統采用矩陣鍵盤(pán)作為人機接口， 從鍵盤(pán)輸入設定電流， 單片機讀取設定值， 顯示在LCD 上， 進(jìn)行相應的數據處理后， 將控制信號送給D/ A, 輸出相應的電壓值， 再通過(guò)V/ I 轉換將該電壓轉換為相應的輸出電流提供給負載，取樣電路將實(shí)際輸出電流轉換為電壓通過(guò)A/ D 轉換和數據處理顯示在LCD 上， LCD 上同時(shí)顯示設定電流值和采樣值， 以便進(jìn)行比較以及相應的控制和調試。

2 硬件設計

2. 1 數控部分設計

單片機、矩陣鍵盤(pán)和D/ A 轉換電路構成典型的數控單元電路， 采用10 位的串行D/A 轉換芯片TLC5615 進(jìn)行數模轉換。

獨立按鍵編程簡(jiǎn)單， 但占用I/ O 口資源， 不適合在按鍵較多的場(chǎng)合應用。本設計中需要用到14 個(gè)功能按鍵，包括0~ 9 共10 個(gè)數字鍵、取消、確認以及步進(jìn)加減按鍵， 在這種情況下如果用獨立按鍵顯然太浪費I/ O口資源， 為此我們引入了矩陣鍵盤(pán)。用四條I/ O 線(xiàn)作為行線(xiàn)， 4 條I/ O 線(xiàn)作為列線(xiàn)， 共8 根數據線(xiàn)和單片機接口。

在行線(xiàn)和列線(xiàn)的每個(gè)交叉點(diǎn)上設置一個(gè)按鍵， 這種行列式鍵盤(pán)結構能有效地提高單片機系統中I/O 口的利用率。

下面以函數的形式給出了一個(gè)簡(jiǎn)短而高效的鍵盤(pán)掃描程序。

從鍵盤(pán)輸入設定電流值， 并在LCD 的第一行顯示， 單位為mA, 按“確認”鍵后， 單片機將輸入的數值轉換成相應的數字量送給D/ A 轉換芯片T LC5615。

假設輸入電流值為m 時(shí)對應的數字量為x , 采用10位D/A 的最大控制字為1 023, 為計算方便， 設滿(mǎn)量程2 000 mA 對應的最大數字量為1 000, 則有比例關(guān)系式( 1)：

根據上式可知送給T LC5615 的數字量控制字x 應為0. 5 ×m, 且可達到的輸出最小步進(jìn)值為2 mA, 即電流控制字每變化1, 電流變化2 mA.如果要達到1 mA 的步進(jìn)值則需要采用12 位的D/A 芯片。

控制字1000 對應2 000 mA 電流， 取樣電阻為1 Ω 時(shí)即對應2 V 電壓輸出， 由于T LC5615 的最大輸出數字量為1023, 根據T LC5615 的控制字與輸出電壓關(guān)系式可知：

求得D/ A 轉換器的基準電壓應取U REF= 1. 023 V.

T LC5615 使用固定增益為2 的運放緩沖的電阻串網(wǎng)絡(luò )， 把10 位數字數據轉換為模擬電壓， 其輸出電壓范圍為0 V至2×V REFV, 即最大輸出電壓為參考電壓的2 倍。

這里T LC5615 的參考電壓取1. 023 V , 滿(mǎn)量程輸出為2. 046 V, 采用1Ω的取樣電阻時(shí)， 最大輸出電流為2 046 mA, 可以滿(mǎn)足設計要求。