一種數控DC電流源的設計與實(shí)現

本設計采用單片機作為主要控制部件，通過(guò)鍵盤(pán)預置輸出電流值并采用液晶模塊實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)系統硬件部分由微控制器模塊、電壓-電流轉換模塊、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊、直流穩壓電源模塊和語(yǔ)音提示模塊組成。系統結構框圖如圖1所示。

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圖1 數控DC電流源系統

　　微控制器是整個(gè)系統的核心，負責整個(gè)系統的運作。為了能夠做到硬件電路簡(jiǎn)單，系統性能穩定可靠，便于實(shí)現語(yǔ)音播報、鍵盤(pán)設置和信息實(shí)時(shí)顯示等功能的協(xié)調，通過(guò)多種方案論證后，選用凌陽(yáng)十六位單片機SPCE061A。該單片機采用現代電子技術(shù)——片上系統SOC（system on a chip）技術(shù)設計而成，內部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-DRIVER等電路（與IC型號有關(guān)）。它采用精簡(jiǎn)指令集（RISC），指令周期均以CPU時(shí)鐘數為單位。另外，它還兼有DSP芯片功能，內置16位硬件乘法器和加法器，并配備有DSP擁有的特殊指令，大大加速了各種演算法的運行速度。同時(shí)可以在Windows環(huán)境下使用凌陽(yáng)十六單片機應用開(kāi)發(fā)工具，該工具支持標準C語(yǔ)言和凌陽(yáng)單片機匯編語(yǔ)言，集匯編、編程、仿真等功能于一體，大大加快了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程。凌陽(yáng)單片機具有高速度、低價(jià)、可靠、實(shí)用、體積小、功耗低等特點(diǎn)，用該單片機作為控制器比較合適，在硬件電路簡(jiǎn)單的前提下容易實(shí)現A/D、D/A轉換、語(yǔ)音提示、PID運算等功能。

　　顯示模塊主要實(shí)現的功能是顯示設置的電流輸出值和其他人機交互信息。本部分可以采用七段數碼LED顯示器，實(shí)現顯示數字、簡(jiǎn)單字母和小數點(diǎn)等信息，但由于其顯示信息單一，人機交互不友好，在系統中采用字符型液晶顯示屏LCDSMC1602A模塊。該模塊具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無(wú)輻射危險，平面直角顯示及影像穩定不閃爍等優(yōu)點(diǎn)。其方便用于顯示字母、數字、符號等信息，而且不需要擴展過(guò)多外圍電路，可由單片機直接進(jìn)行控制輸出顯示。

　　電壓-電流轉換模塊由精密運放與3個(gè)晶體管組成的達林頓管電路構成。轉換電路利用晶體管平坦的輸出特性和深度負反饋電路使輸出電流穩定。如圖2所示，此V/I轉換電路的帶負載能力強，電流輸出范圍達0～3A。輸出電流Io經(jīng)反饋電阻RF得到一個(gè)反饋電壓Vf，Vf= V11-V12，通過(guò)R5、R6加到運算放大器的兩輸入端，設運放兩端的電為V1、V2，Vi由單片機DAC輸出。因為理想運放的輸入電流約等于零，且V1=V2，則有V12[1-R6/(R2+R6)]+ViR6/(R2+R6)=V11R1(R1+R6)。由于V12=V11-Vf，則V11R2/(R2+R6)+(ViR6-VfR2)/(R2+R6)=V11R1/(R1+R5)。令R1=R2=10kΩ，R5=R6=1kΩ,則有Vf=ViR6/R2=Vi/10。若暫不考慮反饋時(shí)，Io=Vi/(10Rf)。

圖2 V/I轉換電路圖

　　由此可見(jiàn)，輸出電流的標定由D/A轉換的輸出電壓Vi和Rf決定，為線(xiàn)性變換。Rf由大線(xiàn)徑康銅絲制作，其溫度系數很小(5×10-6/℃)，大線(xiàn)徑可以使其溫度影響減至最小。3個(gè)三極管應選用大功率管TIP122，且使用散熱片，以保證管子工作在線(xiàn)性區。

　　電壓-電流轉換模塊的組成還有另外一種方案，采用3個(gè)運放構成輸出電流可變的電流源，如圖3所示。輸出電流I=Vi/R1，為使R1兩端的電壓保持恒定，由差分放大器IC1b通過(guò)射隨器IC1c監測R1兩端的電位，此電位經(jīng)IC1b的7腳加到比較器ICa的反相輸入端與Vref比較。比較結果使比較器的輸出端變化，直到平衡為止，即Vr1=Vi。電路中的電容用于補償ICa的頻率，減少控制環(huán)路的延時(shí)。只要R1=R2=R3=R4=R5，此電路的性能較好。但此電路的帶負載能力不強，環(huán)路延時(shí)補償對電路的穩定有較大影響。

圖3 三運放V/I轉換電路

　　系統鍵盤(pán)模塊可以采用獨立式連接方式或行列式（矩陣式）連接方式，該模塊的功能主要完成對輸出電流和其他信息的設定。直流穩壓電源模塊為整個(gè)系統供電；語(yǔ)音模塊實(shí)現語(yǔ)音提示，使系統設計更具人性化，系統具有友好的工作界面。凌陽(yáng)單片機內部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF等模塊，語(yǔ)音功能可由軟件編程實(shí)現，不需要外接任何電路，有效的利用了系統資源。

　　系統工作及軟件流程

　　在工作過(guò)程中，SPCE061A單片機將被預置的電流值通過(guò)換算進(jìn)行D/A轉換，以輸出電壓驅動(dòng)V/I轉換電路實(shí)現電路輸出，并將該電流值對應的電壓值通過(guò)閉環(huán)回路，經(jīng)A/D轉換后輸入單片機系統，再通過(guò)PID算法調整電流輸出。整個(gè)系統工作流程圖如圖4所示。

圖4 系統工作流程圖