基于Proteus的數控恒流源仿真系統設計

　　該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。該恒流源以單片機為核心， 大功率場(chǎng)效應管IRF530 作為恒流器件， 采用10 位分辨率的A/ D 和D/ A 芯片， 輸出電流為20~ 2 000 mA， 最小分辨率2 mA， 可以同時(shí)實(shí)現本機按鍵控制和PC 遠程控制。仿真結果表明該設計方案可行， 且可以達到比較好的穩定性和較高的精度。

　　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。

　　為了提高測量的穩定性和準確性， 采用專(zhuān)用的電壓基準芯片TL431 為T(mén) LC5615 提供基準電壓， 并在Proteus中進(jìn)行仿真實(shí)驗。電路如圖2 所示， 在制作實(shí)際電路時(shí)，圖中的可調電阻采用精密多圈電位器。

　　圖2 電壓基準電路

　　2. 2 恒流電路的設計

　　恒流電路的主要作用是將數控部分送來(lái)的電壓轉換成恒定的電流輸出， 提供給負載。轉換電路由高精度集成運算放大器LM358、功率場(chǎng)效應管IRF530 和采樣電阻構成， 如圖3 所示。將數控部分的模擬輸出電壓Ui 作為L(cháng)M358 的輸入量， 取樣電阻的電壓反饋到LM358 的反相輸入端， 該電路構成了典型的電流串聯(lián)負反饋， 根據反饋理論， 由于集成運放的開(kāi)環(huán)增益很大， 所以該電路為深度負反饋， 即輸入電壓Ui與取樣電阻R 上的反饋電壓Uf 相等， 可由式（3） 得：

　　圖3 電流源電路。

　　即輸出電流IO 只取決于數控輸出電壓Ui 和取樣電阻R 的大小， 而與負載無(wú)關(guān)， 且負反饋具有穩定輸出電流的功能， 如能夠提供穩定的輸出電壓和精密的取樣電阻， 則可得到紋波很小的恒定電流。仿真結果表明該電路有很好的恒流效果。實(shí)際設計電路時(shí)， 為了達到更穩定的輸出， 可在LM358 和IRF530 之間加入RC 濾波。

　　仿真實(shí)驗表明，LM358（ U2:A） 采用+ 5 V 電源供電時(shí)達不到要求的電流。為滿(mǎn)足設計要求， 可采用+ 12 V直流電源供電。此外，要達到2 000 mA 的輸出電流， 應采用大功率且溫度系數小的取樣電阻， 對于高精度的應用可采用康銅或錳銅絲作為取樣電阻， 如果精度要求不高， 也可采用水泥電阻。

　　由于集成運放不可能提供很高的電流， 因此設計中采用功率場(chǎng)效應管IRF530 進(jìn)行擴流， IRF530 在散熱良好的條件下可以提供14 A 的電流， 導通電阻僅為0. 18Ω ， 滿(mǎn)足設計要求。同時(shí)需要大功率的電源為其供電， 根據設計的最大電流和負載值來(lái)確定電源參數。經(jīng)仿真實(shí)驗， 若負載在0~ 10 Ω， 采用+ 24 V 電源可以滿(mǎn)足設計要求， 并有一定余量， 因此實(shí)際設計時(shí)可以采用+ 24 V/ 3 A 的直流穩壓電源。由于IRF530 漏電流的存在， 最小輸出