基于單片機的簡易恒流源系統(tǒng)的設(shè)計*

榮 軍 ，楊學(xué)海，陳 超，楊 超

(湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽414006)

恒流源是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源，應(yīng)用范圍非常廣泛，比如電阻器阻值的測量和分級，電纜電阻的測量等，且電流越穩(wěn)定，測量就越準(zhǔn)確。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點，又可以作為其有源負(fù)載，以提高放大倍數(shù)，并且在差動放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到廣泛應(yīng)用。文獻［1-4］針對恒流源系統(tǒng)內(nèi)部和外部四個方面的原因引起的輸出電流不夠穩(wěn)定以及精度不高的缺點，設(shè)計了數(shù)字控制的恒流源系統(tǒng)，但是共同特點就是系統(tǒng)比較復(fù)雜，或者精度不夠高，因此本文設(shè)計基于單片機C8051F020 為控制核心的簡易數(shù)控恒流源系統(tǒng)，實現(xiàn)了電流2 A 以內(nèi)的數(shù)字控制任意可調(diào)的恒流源系統(tǒng)。

1 恒流源系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)

論文設(shè)計了基于單片機的數(shù)控恒流源，該系統(tǒng)主要由電源模塊、控制模塊、恒流源模塊、鍵盤顯示模塊和通信模塊組成，其中電源模塊由自制電源供電電路構(gòu)成。鍵盤顯示模塊由LCD 液晶顯示電路、R232 接口電路以及4×4 矩陣鍵盤設(shè)置電路構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，其中控制系統(tǒng)以單片機C8051F020，單片機內(nèi)部自帶A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換電路，并單片機內(nèi)部還設(shè)置了串口通訊功能［2］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 供電電路設(shè)計

由于本系統(tǒng)對功率有一定要求且對電流紋波有一定要求，故采用三端穩(wěn)壓擴流輸出，恒流源供電電源原理圖部分如2 圖所示。

圖2 電源電路

其中圖2 中的220 V 交流市電經(jīng)由含中間抽頭的變壓器轉(zhuǎn)變成雙18 V 交流電壓，再經(jīng)全波整流將電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷?，?jīng)由LM7815 和LM7915 三端穩(wěn)壓器件驅(qū)動TIP127 和TIP122 擴流輸出將其轉(zhuǎn)變?yōu)椤?5 V 電壓，通過以L1，L2為核心的π 濾波網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)板放大器提供電源。采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7815 驅(qū)動達林頓管TIP127，LM7915 驅(qū)動達林頓管TIP122，電源輸出電流能達到2 A 以上，足以滿足恒流源最大電流輸出功率，其中R03和R04為擴流保護電阻。+15 V 電源再經(jīng)由LM7805 輸出為+5 V 電壓，給系統(tǒng)中的LCD 液晶以及其他所需+5 V 電源元器件供電。+5 V 電源再由AMS1117-3.3 三端穩(wěn)壓集成芯片輸出+3.3 V 電壓，給C8051F020 單片機等提供電源。+3.3 V 和正5 V 供電電源電路原理圖分別如圖3 和圖4 所示［5-6］。

圖3 +3.3 V 電源

圖4 +5 V 電源

1.2 主電路設(shè)計

恒流源主電路如圖5 所示。其中，運算放大器U3是一個反相加法器，反向端輸入信號有2 路，一路輸入信號為Vin，另1 路輸入信號為運放U5的輸出反饋，R107是U3的反饋電阻。由于運算放大器輸出電流小，所以該電路加了擴流部分。采用三極管Q1、Q2、達林頓管TIP142、TIP147 組成AB 類推挽式功率放大電路。達林頓管TIP142、TIP147 是互補對管，兩管輪流導(dǎo)通，Ui并且不會出現(xiàn)交越失真現(xiàn)象。用硬件的方式避免了恒流源輸出死區(qū)。U4是電壓跟隨器，因為其輸入阻抗高，所以U4的正向輸入端基本沒有電流流入，因此流經(jīng)Rf的電流可認(rèn)為全部流入負(fù)載RL。U5是反相放大器，由于R108=R109=10 kΩ，所以U5的反向放大倍數(shù)為1，即U5為放大倍數(shù)為-1 的反相器。

U3的輸入電壓為Vin，由疊加原理可知:

由U4的電壓跟隨器特性和U5的反相器特性，有:

將式(2)代入式(1)得到:

即流經(jīng)Rf的電流完全由輸入電壓Vin決定:

由于U4的輸入端基本不取電流，所以完全可以認(rèn)為流經(jīng)負(fù)載RL 的電流是由輸入電壓Vin來決定的。從而實現(xiàn)了用電壓控制直流電流源輸出的功能。由于負(fù)載電阻Rf中流過的電流即為恒流源的輸出/輸入電流，按照題目要求，輸出/輸入的恒流電流需要達到2 A，這里采用大功率散熱電阻作為電阻Rf。

圖5 恒流源電路

1.3 數(shù)字控制電路設(shè)計

控制器在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)人機交互界面控制，恒流部分電流控制。人機交互界面包括恒流源輸出電流設(shè)定、電流采集顯示等等。恒流部分電流控制包括DA 輸出、AD 采集、DA 校正3 部分。本系統(tǒng)采用的控制器是C8051F020 單片機。數(shù)控部分主要利用C8051F020 單片機的12 bit DAC 實現(xiàn)。該部分電路如圖6 所示。U1為電壓跟隨器，U2為反相器。利用C8051F020 單片機DAC 輸出0 ～2 V 電壓。當(dāng)繼電器控制端口CON1為低電平時，繼電器2、3 引腳連通。恒流方式端口輸出電壓為DAC 輸出的反向電壓，恒流源為流入式恒流源;當(dāng)繼電器控制端口CON1為高電平時，繼電器3、4 引腳連通。恒流方式端口輸出電壓即為DAC 輸出電壓，恒流源為流出式恒流源。通過控制繼電器來設(shè)定恒流源為流入/輸出方式。

圖6 數(shù)控電路

1.4 采樣電路設(shè)計

由式(4)可知，恒流源的輸出/輸入電流大小完全取決于Vin和大功率散熱電阻Rf的比值。由此可知，通過測量大功率散熱電阻Rf兩端的電壓差可間接求出恒流源的輸出/輸入電流。圖7 完成的是對大功率散熱電阻兩端電壓的提取和轉(zhuǎn)換功能。

圖7 中Rf即為大功率散熱電阻。V1為正電流流入點，V2為正電流流出點。運放U6、U7均為電壓跟隨器，分別提取出V1和V2兩點的電壓值，由于電壓跟隨器輸入阻抗很高，基本不取電流，因此不會影響恒流源的輸出值。U8為反向放大器，R116=R117，放大倍數(shù)為-1，即構(gòu)成反相器。U8輸出為-V2。U9為反向加法器。V1和-V2接入反向加法器U9，輸出電壓為:VO=-(R123/R)(V1-V2)，其中R=R119=R120=10 kΩ。

如圖7 所示的采樣轉(zhuǎn)換電路，運放U10和繼電器組成了恒流源方式選擇電路。運放U10為方向放大器，由于R122=R140=10 kΩ，即放大倍數(shù)為-1。所以，U10的功能就是將輸入的負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓。因為C8051F020 單片機AD 只能采集正電壓，所以，當(dāng)恒流源為流入方式的時候，輸入采樣轉(zhuǎn)換電路的電壓為負(fù)電壓，繼電器控制端口CON2為低電平，繼電器的引腳2、3 接通。通過采樣轉(zhuǎn)換電路將負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓。當(dāng)恒流源為流出方式的時候，輸入電壓為正電壓。繼電器控制端口CON2為高電平，繼電器引腳3、4 接通，輸入電壓直接輸入C8051F020 單片機的AD 采集而不通過采樣轉(zhuǎn)換電路。DA1為3.3 伏穩(wěn)壓管，保護C8051F020 單片機的AD 采樣端口。

圖7 電流采樣電路

1.5 程序設(shè)計

系統(tǒng)通電后C8051F020 單片機對硬件系統(tǒng)進行初始化，隨即進入鍵盤掃描等待。從鍵盤輸入各項需要設(shè)定的參數(shù)，包括恒流源的輸入輸出方式、電流大小、電流調(diào)節(jié)步進。各項參數(shù)輸入時更新液晶，并相應(yīng)地輸出DA。DA 輸出后，通過恒流源電路輸出電流后，電流監(jiān)控電路將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，通過AD 采樣輸入到C8051F020 單片機。單片機將采集到的電流參數(shù)與預(yù)設(shè)定的電流參數(shù)對比，然后進行校正，直到兩者相等或者很相近。然后繼續(xù)返回鍵盤掃描，等待下一次參數(shù)設(shè)定。本系統(tǒng)程序主要包括12864 液晶顯示模塊、鍵盤掃描模塊、AD 采樣以及校正模塊三大板塊。AD 采樣以及校正采用不斷校正的方法，自動對預(yù)設(shè)定參數(shù)進行軟件跟蹤校正。在最大程度上提高了恒流源的輸出精度。程序流程圖如圖8 所示［7-8］。

圖8 程序流程圖

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo):輸入電壓220 V/50 Hz，要求自制供電電源，恒流源系統(tǒng)輸出電流范圍為0 ～2 000 mA，具有“+”、“-”步進調(diào)整功能，步進≤10 mA;輸出電流最大偏差小于1 mA。改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10 V 以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的(1%±1)mA;另外恒流源系統(tǒng)要求具有可設(shè)置為流入或流出模式、具有自動控制電流規(guī)律變化大小輸出模式以及具有輸出電壓監(jiān)控和設(shè)置最大電壓輸出值功能。

2.2 電源輸出測試及分析

電源輸出測試主要測量電源的最大輸出功率以及電源輸出紋波。測試方法為:用瓷盤變阻器做電源的可變負(fù)載，測試在不同負(fù)載下電流的輸出，間接地計算出電源的帶負(fù)載能力。在測量電源的輸出功率的時候要同步地測試電源的輸出紋波。如表1 所示為電源部分的測試。

由測試數(shù)據(jù)可以看出，隨著負(fù)載電阻的減少負(fù)載電流增大，當(dāng)負(fù)載電流超過2 A 時，電源的輸出電壓仍然能穩(wěn)定在15 V 左右，由此可知電源的輸出功率足以驅(qū)動恒流源輸出電路，能給恒流源提供最大30 W 的功率，符合恒流源電源的功率要求。通過數(shù)字示波器估讀出其紋波電壓，都是毫伏數(shù)量級的小紋波電壓，不足以引起恒流源輸出電流中有很大的紋波電流。綜上所述，電源部分基本滿足要求。

表1 電源輸出測試

2.3 恒流源部分測試

恒流源電路以自制電源為電源。測試方式為:首先將負(fù)載電阻短路，通過人機交互界面(鍵盤和液晶)預(yù)設(shè)定要輸出的電流值，側(cè)得恒流源在零負(fù)載情況下的性能指標(biāo)，然后再改變負(fù)載電阻，測試恒流源電路的帶負(fù)載能力。此處的可變負(fù)載電阻也采用的是瓷盤變阻器。數(shù)據(jù)測試分為2 部分，一部分為恒流源為輸出式恒流源時的數(shù)據(jù)測試，一部分為恒流源為輸入式恒流源時的數(shù)據(jù)測試。具體數(shù)據(jù)見表2 和表3。

表2 輸出式恒流源數(shù)據(jù)測試

表3 輸入式恒流源數(shù)據(jù)測試

表2 和表3 的數(shù)據(jù)測試均是在負(fù)載電阻是7 Ω的時候測定的，從表中的數(shù)據(jù)可以得知本系統(tǒng)基本滿足了技術(shù)指標(biāo)所設(shè)定的目標(biāo)。但是系統(tǒng)也出現(xiàn)了一些缺陷，當(dāng)測試電阻繼續(xù)減少而輸出或者灌入電流保持在最大輸出，電源輸出功率將出現(xiàn)下降，而且紋波電流也將繼續(xù)變大。出現(xiàn)這種情況的原因可以能有2 個，其一，電源功率不夠，需要功率更大的變壓器且電源模塊的文波抑制電路參數(shù)不是最優(yōu)參數(shù)，沒有達到預(yù)期的效果;其二，由于材料的有限，采樣電阻本來需要采用康銅電阻，但是本系統(tǒng)實際應(yīng)用了大功率鋁電阻，大功率鋁電阻的溫漂影響了系統(tǒng)的精確度。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一個基于C8051F020 單片機的數(shù)控恒流源。本系統(tǒng)設(shè)計主要硬件電路設(shè)計和軟件程序編寫包括兩個方面。其中設(shè)計步驟為:系統(tǒng)設(shè)計、模塊化硬件設(shè)計、軟件程序設(shè)計及調(diào)試、系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)調(diào)試。從本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測試以及數(shù)據(jù)分析可知，本系統(tǒng)很好地完成了系統(tǒng)的設(shè)計要求，部分指標(biāo)甚至超過了系統(tǒng)設(shè)計要求。

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