直流数控电流源的设计与实现

liyf

直流电流源作为稳定电源的分支，在工程技术和测量领域中有着重要的实用价值，其涉及的应用由稳定电磁场、校正电流表等扩展至激光、超导、现代通信和传感技术等领域。基于模拟电路的电流源虽然可以实现高精度、宽电流范围输出，但其结构复杂, 调整困难，指示不直观。随着单片机技术的发展，数字控制电流源开始出现，其以控制灵活、调节方便等特点展示了良好的应用前景。

一般的恒流电流源往往是电流值固定，或是有限数值档的电流值输出，不便于通用。数字控制的电流源则通过单片机作为核心控制器，通过键盘设置所需的电流值，电流值取值范围大，使用方便灵活。
本文将介绍数字电流源设计方案，实现基于单片机控制的程控电流源硬件及软件设计。
数控电流源硬件设计
数字控制电流源可以有多种方案，如基于PWM技术的开关电源、基于模拟器件的模拟反馈压控，以及基于微控制器的数字反馈数控方案。本设计采用基于微处理控制器的数字控制方案，硬件系统框图如图1所示。利用单片机AT89C51将输入的控制信号进行处理输出数字量，再把输出的数字量转换成模拟电压量，最后把转换后的模拟电压量进行电压/电流的转换供给负载。



图1 硬件电路框图

1 单片机控制与显示电路
直流数控电流源原理图如图2所示。控制电路由AT89C51、晶振、按键等构成，包括单片机时钟电路、复位电路以及按键输入电路。

该电路的工作原理为：AT89C51单片机通电后复位，P0和P1口均输出高电平。当按键输入电路给电路输入控制信号后，通过程序控制经过内部处理，在P0及P1口输出处理后的信号。P0的信号送至DAC0832的数字输入端进行数模转换，P1的输出信号送至显示电路进行显示。

键盘作为输入控制的信号，如图2所示，总共有8个按键，具体功能为：++键用于实现步进加，--键用作实现步进减，S1～S4用于实现从最低位至最高位设置时的位选，位选后，由+、-键调节各位的数值。

显示电路用于指示输出电流的数值，电路主要由四个相连的共阳极数码管和驱动电路组成。AT89C51的P1和P2口连接显示电路，其中，P1口的8个引脚用来控制数码管的段码。用三极管V5～V8组成数码管四个位的驱动电路，再分别与单片机的P2.4～P2.7相连实现对位的控制。



图2 直流数控电流源原理图

2 D/A转换电路
D/A转换电路由数模转换器DAC0832和运放LM324构成。DAC0832芯片是一个8位D/A转换器，有8个数码输入端，1个模拟输出端，能将控制电路输出的8位二进制数字量转换成模拟量的输出，送给后级的V/I转换电路。

运放A4输出电压为：
（1）


式中，Vref为外接参考电压，D7～DO为8位输入数字量。
当输入数字量在00000000～11111111之间变化时，其对应的输出模拟电压U1在0～-Vref之间，电压分辨率为：△V=5V/(28-1)=19.6mV。

3 V/I转换电路
V/I转换电路是整个电流源的关键部分，其电路图2所示，主要由运放LM324和电流扩展电路构成。运放A1构成加法器，有U2=-(U1+U5)。三极管V1、V2、V3、V4构成电流扩展电路，以便有足够的输出电流。A2构成电压跟随器，有U4=U3。A3是反相器，有U5=-U4，则U5=-U3。

电阻RM上的压降UM为：UM=U2-U3=-(U1-U3)-U3=-U1，则通过负载RL的电流I为：I=UM/RM=-U1/RM。
可见，输出电流I仅由电压U1和电阻RM决定。当U1和RM一定时，I保持恒定。U1是由数模转换器得到，则该恒流源的电流大小由数字量决定。
软件编程



图3 软件流程图

软件流程如图3所示，程序采用C语言编写。用仿真机进行功能调试，实现全部功能，然后把程序写入AT89C51芯片，固化成功后，便可进行独立运行。
主程序部分代码。
　void main()
　?{unsigned char Debugging=0;
? unsigned char Sampling=0;
?while (1)
?{ Sampling =P2|0xf0;????? //采样键盘信号
?if (Sampling!=0xff)???? //如果有键盘按下执行下列程序
┇??//处理键盘程序
┇??//显示程序
┇??//电流输出程序
}}

实验结果
测试结果表明（见表1），负载RL阻值在0～5Ω变化时，最大绝对误差△I=|测试电流值-输出电流值|=10mA；相对误差为=绝对误差/显示电流值=1％；



另一测试结果表明（见表2），最大纹波系数=纹波电流值/设定输出电流值=1.5%；



表3所示为部分设定输出值与实际测试值的数据对照。设定输出值和测试值的比较曲线如图4所示，从图中可得，步进误差较小，其设定输出在0～1000mA时，实际测试值为0～990mA，最大绝对误差△I=10mA，最大相对误差为1％。



图4 设定输出值和测试值的比较曲线

若电流精度不够(设定输出值与实际测试值存在较大误差)时，可采用12位的D/A，并增加模数转换采样电路，将输出值反馈回单片机，并由单片机程序实现校正。此外，电路中RM可以选用精密电阻以减少误差。
结语
本文详细介绍了一种基于单片机控制的直流数控电流源。该电源由单片机接收键盘的输入数据，将设定的电流值通过D/A转换器转换为控制电压，再转换为电流输出，同时将设定电流在数码管上显示。整个数控电流源具有很高的性价比，稳态精度高，控制部分电路简明，结构紧凑，工作稳定可靠，应用前景广阔。