基于STM32的程控精密電流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃遠(yuǎn)豪,李 琦,趙秋明

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林 541004)

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基于STM32的程控精密電流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃遠(yuǎn)豪,李 琦,趙秋明

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林 541004)

采用STM32單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一種0～5 A輸出的精密電流源系統(tǒng)。STM32單片機(jī)通過16位A/D芯片檢測(cè)輸出電壓和電流值，16位D/A芯片對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電流的程控設(shè)置。硬件電路中運(yùn)用預(yù)穩(wěn)電壓跟隨電路和穩(wěn)流電路作為電流源系統(tǒng)的主電路，以此來降低功耗，增加可靠性和精度。所設(shè)計(jì)的電流源系統(tǒng)具有可預(yù)置，可步進(jìn)調(diào)整，可按時(shí)間進(jìn)行電流波形輸出等功能和良好的人機(jī)交互界面。電流源系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、紋波電流小、精度高的特點(diǎn)。

高精度；電流源；預(yù)穩(wěn)壓；STM32

0 引言

電流源是能夠向負(fù)載提供穩(wěn)定電流的電源，廣泛應(yīng)用在電光源、電化學(xué)、通信、測(cè)量技術(shù)、電子儀器等領(lǐng)域，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作[1]。目前電流源雖能實(shí)現(xiàn)數(shù)控但存在著電流輸出范圍小、功率較小、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，而輸出功率大、穩(wěn)流精度高、控制精度高、波紋含量低的精密直流電流源卻較少。本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的精密電流源系統(tǒng)。采用高共模抑制比和低溫漂的精密運(yùn)算放大器OP07以及大功率達(dá)林頓管TIP147構(gòu)成電流源的主體，配以電流采樣芯片INA202、16位A/D 芯片ADS1110和16位D/A芯片DAC8830對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)控制。人機(jī)交互由7英寸液晶觸摸屏、獨(dú)立按鍵以及旋轉(zhuǎn)編碼器組成。界面基于UC/GUI編寫，具有虛擬鍵盤，實(shí)時(shí)輸出電流、電壓波形顯示，波形設(shè)置輸出等功能。電流源系統(tǒng)支持SCPI協(xié)議，可通過SCPI指令經(jīng)串口對(duì)電流源系統(tǒng)進(jìn)行編程輸出。

主要技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓180 ～250 V/50 Hz；最大電流5 A；最大輸出功率100 W；交流輸入調(diào)節(jié)率，電流<0.05%+1 mA；負(fù)載調(diào)整率，電流<0.05%+1 mA；設(shè)定分辨率為0.5 mA；設(shè)定精確度，電流<0.05%+2 A；回讀精確度，電流<0.05%+2 A；紋波，電流為3 mArms。

1 精密電流源系統(tǒng)工作原理

精密電流源系統(tǒng)框圖如圖1所示，220 V市電經(jīng)工頻變壓器得到系統(tǒng)的交流輸入電壓，然后通過整流、穩(wěn)壓、穩(wěn)流后獲得系統(tǒng)需要的電流。由于輸出功率較大，為了減小功耗，采取抽頭選擇，電壓電流二次變換的方法。變壓器的抽頭選擇跟隨輸出端電壓的大小，電壓電流二次變換中一次預(yù)穩(wěn)壓采用簡(jiǎn)單線性穩(wěn)壓方式，二次穩(wěn)流采用高精度數(shù)控穩(wěn)流方式，用于獲得高精度輸出，同時(shí)獲得程控時(shí)序波形輸出。兩次穩(wěn)定電路可以較好地保證穩(wěn)流精度達(dá)到系統(tǒng)性能指標(biāo)，并且也能夠較理想地進(jìn)行功耗的分配。通過對(duì)STM32控制器軟件的編寫達(dá)到單機(jī)程控的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)包括精密穩(wěn)壓穩(wěn)流控制、測(cè)量顯示、人機(jī)操控、時(shí)序輸出、通信、程控等功能。

圖1 精密電流源系統(tǒng)框圖

2 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對(duì)輸出電流精度及紋波有一定的要求，因此供電電路不宜使用開關(guān)電壓芯片。系統(tǒng)供電電路采用三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出[2]，電流源供電電源原理圖如圖2所示。220 V交流電通過變壓器得到含中間抽頭的雙16 V交流電壓，經(jīng)橋式整流，LM317，LM337，LM7805，LM7905三端穩(wěn)壓器得到±12 V電壓和±5 V電壓。

圖2 供電電源原理圖

2.2 電流源主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求最大輸出功率為100 W，最大輸出電流5 A，功率輸出較大，在調(diào)整管上功耗也較大。這樣會(huì)增加調(diào)整管以及整機(jī)的溫度漂移降低輸出的精度，同時(shí)也會(huì)降低調(diào)整管的使用壽命。為了減小調(diào)整管上的功耗，電流源主電路采用了輸入變壓器抽頭變換電路，一次預(yù)穩(wěn)電壓跟隨電路，以及功率管并聯(lián)均流等措施[3]。

2.2.1 變壓器抽頭變換電路的設(shè)計(jì)

變壓器抽頭選擇變換電路主要由滯回比較器電路組成。電壓Vregular+經(jīng)過電阻R18、R19分壓后與比較器反相端的參考電壓比較，若大于參考電壓則比較器輸出高電平使對(duì)應(yīng)的繞組控制繼電器導(dǎo)通，達(dá)到繞組切換的目的。參考電壓由12 V經(jīng)電阻R1、R2、R3、R4、R5分壓得到。比較器接成滯回比較器的形式，可以防止由于電壓的波動(dòng)造成的繼電器來回切換。初始情況下，4個(gè)繼電器常閉端導(dǎo)通，AC 10 V交流電壓為整流電路輸入。變壓器抽頭變換電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2 整流緩啟動(dòng)電路

交流電壓經(jīng)過橋式整流電路變成脈動(dòng)的直流電。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小[4]。整流電路所得到的輸出電壓為單一方向，但脈動(dòng)較大，含有較大諧波成分，因此需要利用濾波電路將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸V波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，設(shè)計(jì)中根據(jù)電路紋波的要求合理地選擇電感和電容的大小。整流緩啟動(dòng)電路如圖4所示。

圖3 變壓器抽頭變換電路

圖4 整流緩啟動(dòng)電路

其中LM358，LM35組成溫度保護(hù)電路，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到的電壓小于參考電壓時(shí)，LM358輸出高電平，使S1常開觸點(diǎn)導(dǎo)通，S2常閉觸點(diǎn)導(dǎo)通，AV_Rectify交流電壓經(jīng)S1、S2、R4保險(xiǎn)絲F1進(jìn)入整流電路。當(dāng)DC_IN電壓上升到一定值時(shí)，Q2導(dǎo)通，使得S2常開觸點(diǎn)接通，達(dá)到緩啟動(dòng)的目的。如溫度過高，LM358輸出低，Q1截止，使得S1常閉觸點(diǎn)接通，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

2.2.3 預(yù)穩(wěn)電壓跟隨電路

為了獲得較高的穩(wěn)定度，同時(shí)進(jìn)一步減小調(diào)整管上的功耗，采用二次穩(wěn)定電路。經(jīng)過橋式整流濾波后的電壓先經(jīng)過一次預(yù)穩(wěn)電壓跟隨，使后級(jí)的穩(wěn)流電路的調(diào)整管管壓降能夠跟隨輸出電壓維持在一個(gè)穩(wěn)定的值。預(yù)穩(wěn)壓電壓跟隨電路采用LM317擴(kuò)流輸出的方式。后級(jí)穩(wěn)流調(diào)整管上的管壓降通過PC817光耦在U3的“+”端得到采樣電壓，與2.5 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大后控制U2的ADJ引腳的電壓，從而使得Vregular+處的電壓穩(wěn)定，N3在此處作為一個(gè)等效的運(yùn)算放大器使用。當(dāng)電流達(dá)到一定值時(shí)，R8上的壓降可以使得兩個(gè)并聯(lián)的擴(kuò)流管工作。預(yù)穩(wěn)電壓跟隨電路如圖5所示。

圖5 預(yù)穩(wěn)電壓跟隨電路

2.2.4 電流控制電路

系統(tǒng)使用INA202作為電流檢測(cè)芯片，這是一種應(yīng)用比較廣泛的芯片。INA202是電壓輸出的高側(cè)電流分流監(jiān)控器，能夠在-16～80 V的共模電壓范圍內(nèi)檢測(cè)電路上的壓降，提供輸出電壓等級(jí)為100 V/V，具有高達(dá)500 kHz帶寬。它可由電壓范圍為+2.7～18 V的單電源供電運(yùn)行。當(dāng)有電流Io流過時(shí)，檢測(cè)電阻RC1會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓值Vsence=RC1×Iout,INA202將該電壓值放大100倍，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換以后反饋到誤差放大器輸入端AD_Curr處，電壓為100RC1×Iout，該電壓與D/A設(shè)置的電流參考電壓Curr_set進(jìn)行比較控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度，使輸出電流穩(wěn)定。采用16位D/A芯片D/AC8830，參考電壓為2.5 V，當(dāng)D/A輸出滿量程電壓2.5 V時(shí)，系統(tǒng)輸出最大電流。系統(tǒng)的設(shè)定電流分辨率可達(dá)5 000/(216-1)，約為0.08 mA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足系統(tǒng)的要求。D/A輸出電壓可由單片機(jī)設(shè)置，關(guān)系為2Vref/(216-1)×Code，其中Code范圍0～65 535。

A/D芯片采用16位A/D芯片ADS1110，則電流檢測(cè)分辨率可達(dá)5 000/(216-1)，約為0.08 mA，電壓檢測(cè)分辨率為20 000/(216-1)，約0.3 mV。輸出電壓采樣值A(chǔ)D_Volt為Vout×(R38+R39)/(R27+R38+R39)。

可通過VR2設(shè)置最大電流硬保護(hù)點(diǎn)。調(diào)整電位器VR2，使芯片比較器輸入端的電壓CMPi與輸出電壓AO成一定的比例，然后與芯片內(nèi)部比較器負(fù)端的0.6 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到電流保護(hù)的促發(fā)信號(hào)。AD/DA電路和電流控制電路如圖6、圖7所示。

圖6 AD/DA電路

圖7 電流控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字控制部分需要達(dá)到精密穩(wěn)流控制、測(cè)量顯示、人機(jī)界面、時(shí)序輸出、程控等功能以及提供相應(yīng)的通信接口，以期達(dá)到組網(wǎng)控制的目的。本系統(tǒng)選用STM32系列單片機(jī)中的STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的控制核心[5]，通過FSMC與7英寸液晶模塊連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。系統(tǒng)通電后STM32單片機(jī)對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，可以設(shè)置按照上次關(guān)機(jī)前的數(shù)據(jù)運(yùn)行也可以通過人機(jī)界面輸入各項(xiàng)需要設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行。主程序流程圖如圖8所示。系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能可以分為：主界面任務(wù)、設(shè)置任務(wù)、運(yùn)行任務(wù)、觸摸點(diǎn)獲取任務(wù)、虛擬鍵盤任務(wù)、按鍵輸入獲取任務(wù)、狀態(tài)提示任務(wù)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存讀取任務(wù)等。

圖8 主程序流程圖

4 結(jié)束語

提出了基于STM32單片機(jī)為核心的大功率的精密電流源結(jié)構(gòu)，采用閉環(huán)反饋調(diào)整的方法穩(wěn)定輸出電流。具有紋波電流小，可以按時(shí)間設(shè)置電流波形輸出，能夠?qū)敵鲭娏鬟M(jìn)行預(yù)置和實(shí)時(shí)檢測(cè)。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了變壓器抽頭變換電路，一次預(yù)穩(wěn)壓電路降低了調(diào)整管的功耗，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。該電流源系統(tǒng)精度高，可靠性高，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

[1] 王麗,康紅明,謝東巖.高精度程控電流源的設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器,2012(7): 105-110.

[2] 榮軍,楊學(xué)海,陳超，等.基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易恒流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì).電子器件,2013(2): 225-229.

[3] 王增福,李昶,魏永明.新編線性直流穩(wěn)壓電源.北京: 電子工業(yè)出版社,2004.

[4] 康華光,鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ).北京: 高等教育出版社,2000.

[5] 劉波文.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II經(jīng)典實(shí)例——基于STM32處理器.北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

Design of STM32-Based Programmable High-precision Current Source System

HUANG Yuan-hao，LI Qi，ZHAO Qiu-ming

(School of Information and Communication Engineering，Guilin University of Electronic Technology ,Guilin 541004，China)

A high-precision current source system with 0～5 A output was designed by using STM32 microcontroller. The STM32 microcontroller chip senses the output voltage and current through 16-bit A/D, sets system current by16-bit D/A chip. Using the preregulator and voltage-followed circuit, high accuracy constant current circuit can reduce the power consumption of the system and increase the reliability and accuracy. The current source can be preset as well as the current can be set and adjusted step by step, by the same time it can make a current waveform according to the time and also this system has a fine interactive interface . The system is characterized by good stability, low ripple current and high accuracy．

high-precision ; current source; pre-regulator ;STM32

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61361011,61274077，61464003);廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013GXNSFAA019335)

2015-01-22 收修改稿日期：2015-06-02

TP212

A

1002-1841(2015)11-0042-03

黃遠(yuǎn)豪(1989— )，在讀碩士研究生，主要研究領(lǐng)域電源管理硬件設(shè)計(jì)。E-mail：122021728@mails.guet.edu.cn 李琦(1976— )，教授，博士，主要研究方向?yàn)楣β势骷娐放c系統(tǒng)。E-mail：lqmoon@guet.edu