一種基于大功率FET的數控直流電流源設計

O 引言
本文研制的電源是為滿(mǎn)足生產(chǎn)和教學(xué)科研應用的直流恒流源。采用軟硬件結合的方法，能夠輸出恒定直流0～2000mA，步進(jìn)8mA，紋渡電流≤2mA。用戶(hù)通過(guò)手動(dòng)設定需要的數值，可以準確得到穩流輸出。本系統擁有友好的界面，是可以應用在生產(chǎn)、科研及教學(xué)活動(dòng)中的數控直流恒流源。并且，產(chǎn)品擴展了網(wǎng)絡(luò )儀器的功能，用戶(hù)通過(guò)遠端監控。能夠使本產(chǎn)品工作在比較惡劣的遠端生產(chǎn)環(huán)境中，達到恒流輸出的效果。

l 方案論證及比較
1．1 控制方案
方案一：采用數字信號處理器(DSP)。
DSP功能強大，能完成許多復雜的控制和數據處理任務(wù)，但其價(jià)格一直居高不下，成本較單片機高。對于恒流源控制來(lái)說(shuō)，不具有普適性。
方案二：采用CPLD或FPGA作為主控制器控制A／D、D／A轉換及健盤(pán)和LCD控制。
此方案邏輯電路復雜，且靈活性較低，尤其不利于各種功能的擴展。更由于頻率較高，與單片機的通信編程復雜，時(shí)序控制困難?？紤]到本課題的重點(diǎn)是實(shí)現電流信號的精確輸出，而不是邏輯控制，故不選用此方案。
方案三：采用5l系列單片機。
51系列單片機造價(jià)低廉通用性好，市場(chǎng)應用成熟，用此單片機足以完成課題要求，使資源利用率較高。
經(jīng)研究，我們選用方案三。

1．2 鍵顯方案
方案一：采用數碼管顯示。
數碼管亮度高、體積小、重量輕，但其顯示信息簡(jiǎn)單、有限，在本課題中應用受到很大的限制。
方案二：采用液晶顯示模塊。
液晶顯示功耗低，輕便防震。由于本課題顯示信息比較復雜，采用液晶顯示界面友好清晰，操作方便，最示信息豐富，而且避免了LED的動(dòng)態(tài)掃描，使程序設計更加簡(jiǎn)單。鍵盤(pán)采用通用集成芯片82C79控制。減少了NCU的I／O口的使用，減輕了編程的復雜度，提高了系統資源利用率。
經(jīng)研究，我們采用方案二．液晶選用了HSl2864―12LCM。

l.3 V／I轉換方案
方案一：采用壓流變送器XTRllO。
此種方案會(huì )使恒流輸出十分穩定，但是輸出電流較小，后級電流放大難以實(shí)現。專(zhuān)門(mén)的電流放大器價(jià)格昂貴且器件難以購買(mǎi)。
方案二：采用直流負反饋電路。如圖l所示。

通過(guò)反饋使硬件搭建簡(jiǎn)單，且由于我們選擇了低溫漂的精密放大器，使得電壓和電流的線(xiàn)性度非常良好。
最后，我們選用了方案二，使壓流轉換較容易實(shí)現。

2 系統設計
2．1 硬件設計
系統采用89S52為控制核心，分為穩壓直流電源模塊、V／I轉換模塊、A／D和D／A模塊、鍵盤(pán)顯示模塊、網(wǎng)絡(luò )儀器模塊。系統總體設計框圖如圖2所示。

2．1．1 微控制模塊
控制中心采用89S52。89S52相比于89C51價(jià)格基本不變，甚至比89C5l更低，具有更高的性?xún)r(jià)比。為了串口通信波特率的設定，選取晶振為11．0592MHz。由于系統采用了模塊化設計，故在系統板上加載了82C79、AD0809、并口液晶等的標準接口。

2．1．2 直流穩壓電源模塊
由于單片機及其外圍的用電模塊都用5V或正負12V直流電源，而電網(wǎng)電壓為220V交流電，因此需要沒(méi)計電源。利用2W的變壓器將220V的電網(wǎng)電壓變壓后，加在橋式整流電路的兩端進(jìn)行全波整流。利用三端穩壓電源分別產(chǎn)生正負12V和5V的電壓。三端穩壓電源選擇LM317、7812、7912和7805。由于負載輸出電流很大，故有一路電源選用了高輸出電流的三端穩壓器LM317。
LM317的最大輸出電壓為35V，最大輸出電流是3A。
直流穩壓電源的電路圖如圖3所示。

2．1．3 A／D和D／A轉換模塊
基本要求步進(jìn)值不大于10mA，輸出電流范圍為20～2000mA。但若想達到更高的水平，使步進(jìn)值為lmA，共計(2000―20)／1=1980種狀態(tài)，故我們打算采用12位D／A轉換器，但由于該類(lèi)D／A芯片未購買(mǎi)到，只得放棄，采用8傳DAC0832進(jìn)行轉換。
DAC0832共有256種狀態(tài)，充分利用它們，可使步進(jìn)值最小為(2000―20)mA/256=7．734 375mA，為使運算時(shí)提高精度，步進(jìn)值定為8mA，電流范圍為OmA~(0+255x8)mA(即O～2 040mA)，可以較好滿(mǎn)足基本要求。DAC0832輸入數據每增加l，恒電流增加8mA。
A／D輸入為通過(guò)精密電阻采樣，再經(jīng)過(guò)后級差分放大的電壓信號。為配合D／A工作，完成閉環(huán)控制，A/D也選用8位芯片。

2.1.4 恒流輸出模塊
如圖4所示，輸入電壓由電阻分壓變?yōu)?~2V。經(jīng)精密運放01707進(jìn)行負反饋輸出，再經(jīng)過(guò)大功率場(chǎng)效應管IRFZ44NL使輸出達到課題要求。采用康銅電阻絲繞制的精密電阻，可算得輸出電流為Io=Ui／R。D／A輸出經(jīng)已經(jīng)放大后變?yōu)?～lOV，經(jīng)過(guò)電阻分壓后進(jìn)入控制恒流輸出電路。此時(shí)若選擇精密電阻絲為lΩ，分壓比為l：5，使得輸出電流可達到2A。

2.1.5 閉環(huán)控制模塊
為使輸出電流與用戶(hù)給定值最接近，我們采用了按照D／A、A／D的時(shí)序進(jìn)行數值比較，采用步進(jìn)控制使電流波動(dòng)較小。例如假設用戶(hù)輸入200mA，系統通過(guò)D/A轉換輸出；當下一步A/D轉換到來(lái)時(shí)，系統得到電流實(shí)際值是184mA，則系統自動(dòng)實(shí)現步進(jìn)控制，使輸出值變大。當輸出值超過(guò)預定值時(shí)，情況相反。如此，實(shí)現了輸出電流的穩定。原理如圖5所示。

2．1．6 鍵盤(pán)顯示模塊
為了使顯示更加有效，功能更加貼近用戶(hù)，主要參數采用液晶顯示。鍵盤(pán)通過(guò)82C79控制，減少了單片機I／O口的使用，減輕了單片機的負擔。
液晶顯示采用了HSl2864―12。顯示分辨率為128x64．內置8192個(gè)16x16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16x8點(diǎn)ASCII字符集?？梢燥@示8x4行16x16點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著(zhù)特點(diǎn)。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類(lèi)型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。用戶(hù)圖形界面如圖6所示。

由于液晶采用了菜單設計，因此大大減少了按鍵，節省了資源。鍵盤(pán)示意如圖7所示。

2．1．7 網(wǎng)絡(luò )儀器
為使恒流源的應用更加廣泛(例如生產(chǎn)現場(chǎng)遠端的無(wú)人環(huán)境)，我們擴展了網(wǎng)絡(luò )儀器的功能。恒流源可應用于實(shí)際生產(chǎn)車(chē)間(精度可以設計得更高)，嵌入到用戶(hù)的系統中，由PC終端完成智能控制。給負載提供可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制的的恒定電流。
用戶(hù)界面如圖8所示。

鍵盤(pán)功能更加強大，用戶(hù)可以輕松地在遠端PC實(shí)現對恒流源的控制。通信狀態(tài)共有3種：建立連接，正在通信，連接斷開(kāi)。在不同階段，界面會(huì )給予提示信息，并在通信過(guò)程中讓指示小燈閃爍。PC機和單片機通信遵循RS232標準。我們自定義了一個(gè)協(xié)議，VB程序每50ms定時(shí)檢測單片機是否發(fā)送狀態(tài)數據給PC機。單片機主控程序除處理其他事務(wù)外，循環(huán)查詢(xún)PC機是否發(fā)控制消息給單片機，以進(jìn)行相應處理。

2.2 軟件設計
2．2．1 總體設計
軟件設計基于RTX51嵌入式系統。RTX5I是應用于MCU的一種多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(Real Time Operation System)。支持任務(wù)按時(shí)間片循環(huán)任務(wù)調度和任務(wù)間的信號傳遞，并且可以并行地利用中斷。應用在微控制器上，可大大提高系統的執行效率和實(shí)時(shí)性，軟件系統示意圖如圖9所示。

2．2．2 程序流程
主控程序設計流程如圖10所示。

3 結語(yǔ)
系統以89S52為核心，采用模塊化設計形成數控直流電流源，軟件設計采用 RTX51實(shí)時(shí)操作系統?？筛鶕脩?hù)需要輸出恒定的電流值。該儀器還具有超量程自動(dòng)報警功能。輸出參數較精確，由于A(yíng)/D、D/A均采用了8位(12位器件無(wú)法購得)，使得電流輸出步進(jìn)不能達到1 mA的需要。但其他系統功能基本完成。若采用12位的A／D和D/A，經(jīng)過(guò)計算仿真發(fā)現，輸出非常穩定，步進(jìn)可遠小于1mA，紋波幾乎為0。