便攜式電流源設(shè)計

宋 武

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 質(zhì)量管理處，湖北 黃岡438002）

電流源的特點(diǎn)是無論負(fù)載如何變化，輸出電流保持恒定。電流源作為常用的電子儀器在研發(fā)和檢測部門都有著廣泛的應(yīng)用，特別在電路分析中離不開電流源。但隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電流源的效率高、穩(wěn)定、體積小、使用方便、便于攜帶、精度高已是大家追求的目標(biāo)，比如電流源在信號變換、電子測量、電路分析中的應(yīng)用,其性能直接對各種結(jié)果產(chǎn)生影響，正確選用電流源電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)在電子測量和電路分析中十分重要［1］。

1 系統(tǒng)總體框架與硬件設(shè)計

設(shè)計的便攜式電流源在充分考慮實(shí)用，經(jīng)濟(jì)，大小等方面的基礎(chǔ)上，還要滿足功耗低、穩(wěn)定、性能優(yōu)越的特點(diǎn)，選擇合適的控制器、直流轉(zhuǎn)換芯片和優(yōu)化軟件控制模式是整個設(shè)計過程的核心。

1.1 系統(tǒng)總體框架

設(shè)計的電流源由DC-DC轉(zhuǎn)換模塊、恒流電路、采樣電路、報警電路、D/A模塊等電路組成，如圖1所示。其原理是將電池輸入3.6V直流電壓通過開關(guān)電源控制器LM2577轉(zhuǎn)換輸出24V電壓，為恒流電路、D/A模塊以及利用LM7805轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓提供給控制器和液晶顯示器。通過按鍵調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同恒定電流的輸出。

圖1 LED閃光燈電源系統(tǒng)方框圖

1.2 控制器

采用TI公司的MSP430F149作為系統(tǒng)控制器。該處理器是一種16位超低功耗的混合信號處理器。具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速率快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等特點(diǎn)，運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，可用各種軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且單片機(jī)功耗極低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1.3 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

采用集成芯片實(shí)現(xiàn)DC-DC升壓電路。利用集成芯片實(shí)現(xiàn)直流升壓，外圍電路簡單，便于調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定，而且能根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，在綜合考慮各種因素情況下選擇了開關(guān)電源控制器LM2577，該芯片在DC-DC轉(zhuǎn)換電路中，具有外接元器件少、輸出開關(guān)電流可達(dá)到3A，可以接成簡單升壓、隔離和多輸出電壓的開關(guān)電源電路。輸出直流電壓可調(diào)，最高的輸出電壓可以達(dá)到36V，能滿足電路中各模塊的供電要求。LM2577在DC-DC轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，該電路能將輸入3V-5V升高到24V以上，由于輸入電壓不高，為了方便攜帶，輸入端利用干電池作為輸入即可。

圖2 DC-DC轉(zhuǎn)換電路圖

圖2中反饋取樣電阻R1、R2的阻值可以確定直流輸出端的電壓值。例如當(dāng)輸出直流電壓為+12V時，R1的阻值為17.5kΩ,R2為2kΩ。輸出電壓的確定公式如下：

1.4 恒流電路設(shè)計

該恒流電路核心器件是集成運(yùn)算放大器LM324和場效應(yīng)管IRF540，單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615輸出模擬信號接入LM324的同相輸入端引腳3。通過對R4進(jìn)行采樣，實(shí)時顯示場效應(yīng)管IRF540在導(dǎo)通條件下流過的電流，在改變負(fù)載R3阻值時，流過負(fù)載的電流不改變。通過單片機(jī)控制器改變電壓值，也可以在單片機(jī)控制電壓值一定的情況調(diào)整電位器R4，從而達(dá)到輸出不同恒流的目的。

圖3 恒流源電路圖

1.5 D/A轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC）TLC5615具有基準(zhǔn)電壓兩倍的輸出電壓范圍，DAC是單調(diào)變化的，器件使用簡單，TLC5615與單片機(jī)連接電路圖如圖4所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出送入恒流電路的輸入端。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換電路連接圖

1.6采樣電路

本系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)自帶的12位AD模塊，同相輸入端5引腳接入恒流電路的采樣點(diǎn)，進(jìn)運(yùn)算放大器LM324輸出后接入單片機(jī)的輸入端口。采樣電路連接電路圖如圖5所示。

圖5 采樣電路連接圖

1.7 顯示電路

本設(shè)計中用液晶來顯示電流檢測與設(shè)置、電壓檢測、脈沖個數(shù)與周期設(shè)置、報警顯示。通過按鍵實(shí)現(xiàn)不同功能菜單。具體電路如圖6所示。圖中液晶引腳上網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號對應(yīng)的口線與單片機(jī)上的口線對接即可。

圖6 液晶與單片機(jī)連接圖

2 軟件設(shè)計

MSP430F149作為整個系統(tǒng)的核心控制器件，通過控制液晶顯示器、按鍵、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的電流與電壓檢測，設(shè)置負(fù)載的導(dǎo)通電流的周期、峰值以及輸出方式，完成對整個系統(tǒng)的控制，達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計要求。軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計流程圖

3 結(jié)語

在設(shè)計過程中，不管是硬件調(diào)試還是軟件測試，我們力求經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，同時充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)，簡化電路，來滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。設(shè)計好的電流源，整個大小為10cm×10cm×2cm，便于攜帶；通過改變負(fù)載，測量了多組數(shù)據(jù)，負(fù)載中流過的電流與電流源提供的電流的相對誤差不到1%，而且性能穩(wěn)定，操作方便靈活，在未來市場中擁有很好的發(fā)展前景和，應(yīng)用空間。

［1］任秀榮，陳瑞友，任廣軍.基于LM2576穩(wěn)壓器的數(shù)字電流源設(shè)計［J］.硅谷，2014.

［2］趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［3］李智奇,白小平,程曉龍等.MSP430系列超低功耗單片機(jī)原理與系統(tǒng)設(shè)計［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

［4］秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［5］黃智偉，王彥，陳文光等.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社,2005.