基于A(yíng)VR單片機PWM功能的數控恒流源研制(圖)

作者：時(shí)間：2007-10-30 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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隨著(zhù)電子技術(shù)的深入發(fā)展，各種智能儀器越來(lái)越多，涉及領(lǐng)域越來(lái)越廣，而儀器對電源的要求也越來(lái)越高?，F今，電源設備有朝著(zhù)數字化方向發(fā)展的趨勢。然而絕大多數數控電源設計是通過(guò)高位數的A/D和D/A芯片來(lái)實(shí)現的，這雖然能獲得較高的精度，但也使得成本大為增加。本文介紹一種基于 AVR單片機PWM功能的低成本高精度數控恒流源，能夠精確實(shí)現0～2A恒流。

系統框圖

圖1為系統的總體框圖。本系統通過(guò)小鍵盤(pán)和LCD實(shí)現人機交流，小鍵盤(pán)負責接收要實(shí)現的電流值，LCD 12864負責顯示。AVR單片機根據輸入的電流值產(chǎn)生對應的PWM波，經(jīng)過(guò)濾波和功放電路后對壓控恒流元件進(jìn)行控制，產(chǎn)生電流，電流再經(jīng)過(guò)采樣電阻到達負載。同時(shí)，對采樣電阻兩端信號進(jìn)行差分和放大，送入ADC。單片機根據采集到的值調整PWM輸出，從而調整了輸出電流。如此反復，直到電流達到設定要求。

圖1 數控恒流源系統框圖

模塊介紹

1 人機接口模塊

本模塊包括小鍵盤(pán)電路和液晶顯示電路。鍵盤(pán)設計為34鍵盤(pán)，由數字鍵0～9，功能鍵“刪除”及“確認”組成，采用反轉法實(shí)現鍵值識別。顯示電路由帶中文字庫的LCD 12864構成，該液晶可以每行8個(gè)漢字顯示4行。由于這部分電路比較簡(jiǎn)單，在此不詳述。

2 核心控制模塊

系統的核心控制模塊為AVR單片機（ATMEGA 16L）。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。

AVR單片機片內有一個(gè)具有16位PWM功能的定時(shí)/計數器。在普通模式下，計數器不停地累加，計到最大值（TOP=0xffff）后溢出，返回到最小值0x0000重新開(kāi)始。當啟用PWM功能即在單片機的快速PWM模式下，通過(guò)調整OCR1A的值可實(shí)現輸出PWM波的占空比變化。產(chǎn)生PWM波形的機理是：PWM引腳電平在發(fā)生匹配時(shí)（匹配值為0～0xffff之間的值，如圖2中的C），以及在計數器清零（從MAX變?yōu)锽OTTOM）的那一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期內發(fā)生跳變，具體實(shí)現過(guò)程如圖2所示。

圖2 PWM波產(chǎn)生過(guò)程

圖2中的C～F為OCR1A匹配值。從圖中可見(jiàn)，波形在每個(gè)匹配值處以及計數清零時(shí)輸出發(fā)生變化，從而實(shí)現了PWM波。由于OCR1A的值可以從0x0000到0xffff，共有65535個(gè)值，因此PWM波的最大分辨率為1/65535，滿(mǎn)足系統分辨率設計要求。PWM波的頻率為：

（1）

其中，f_{clk_I/O}為系統時(shí)鐘頻率（7.3728MHz），N為分頻系數（取1、8、64、256或1024）。在N取1時(shí)，根據式（1）得PWM波的最大頻率為7.3728MHz；當N取1024時(shí)，PWM波的最小頻率為 7.2kHz。本系統N取256，PWM波頻率為28.8kHz。

單片機內部有1個(gè)10位的逐次逼近型ADC，當使用片內VCC作為參考電壓V_ref，其分辨率為：

（2）

若使用片內的2.56V基準源作為參考電壓，依據式（2）可得到其分辨率為0.003V。

當系統需要更高的分辨率時(shí)，可以通過(guò)軟件補償的方法來(lái)實(shí)現。具體實(shí)現方法可參考相關(guān)資料。

3 濾波和功放模塊

圖3 二階RC低通濾波電路

PWM波產(chǎn)生后不能直接用于控制MOSFET，需把其變成能隨占空比變化而變化的直流電壓。在此，我們選用二階RC低通無(wú)源濾波器，并取得了很好的效果。
二階RC低通無(wú)源濾波器的系統函數為：

（3）

其中，A為通帶增益，Q為品質(zhì)因素， ω0為截止頻率。根據式（1）算出PWM波的頻率，取截止頻率為30kHz，由式（3）可確定對應的電阻、電容值。

由于無(wú)源濾波器的負載能力差，信號經(jīng)過(guò)二階無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò )后衰減比較厲害，需要增加一級功率放大電路。功放電路比較簡(jiǎn)單，也有經(jīng)典電路，限于篇幅不再贅述。

4 恒流源模塊

恒流源采用的是壓控恒流元件IRF540，它的V_GS為20V，ID為33A。截止時(shí)，最大漏電流為1μA，導通電阻僅有0.04Ω，圖4為IRF540的特性曲線(xiàn)。

圖4 IRF540特性曲線(xiàn)

由圖4可知，當V_GS為5V時(shí)，可輸出電流就可達到30A左右，完全能實(shí)現小電壓控制大電流的目的。具體應用電路如圖5所示。

圖5 橫流電路

IRF540的G極接PWM波轉換后的直流電壓，D極接能提供15V/5A電流的電源（可采用開(kāi)關(guān)電源），S極用來(lái)接采樣電阻和負載。采樣電阻應采用溫漂系數低、阻值為10mΩ、精度為1%的大功率錳銅絲電阻。當對采樣電阻兩端信號進(jìn)行差分后，可得到采樣電阻兩端的電壓值U，而在已知采樣電阻阻值情況下，很容易得到流經(jīng)采樣電阻的電流，即I=U/R。由于負載與采樣電阻在同一條支路，故流經(jīng)負載的電流也為I。差分放大電路的放大倍數可根據采樣電阻阻值以及ADC的參考電壓來(lái)選擇，圖5中要求R1=R3，R2=R4，放大倍數為R4/R3。需要注意的是該電路應該具有很高的輸入阻抗，以減少對負載電路的影響。差分信號經(jīng)ADC口送入單片機進(jìn)行處理。

軟件設計

由圖6可知，整個(gè)系統是一個(gè)動(dòng)態(tài)的閉環(huán)系統。由于PWM初始匹配值設置的大小不同，電流值在開(kāi)始時(shí)可能會(huì )跟設定值有較大偏差。隨著(zhù)閉環(huán)系統的自我調整，逐漸使輸出穩定在設定值上下。系統達到穩定狀態(tài)的時(shí)間以及穩定后電流值波動(dòng)的幅度，可根據設計要求由軟件來(lái)調整。