程控高精度四象限電源的設(shè)計(jì)

金佛榮，李志杰，鄭天云

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院，甘肅 天水 741025)

0　引言

高精度的電源是科學(xué)試驗(yàn)及電子產(chǎn)品研發(fā)、測(cè)試必不可少的工具[1]，不同于普通電源的伏安特性曲線工作的一、三象限，四象限電源的伏安特性曲線可以工作在四個(gè)象限，可以使測(cè)試工作變得便捷，從而省去搭建測(cè)試平臺(tái)所需的人力財(cái)力[2]。目前我國市場上高精度電源被國外產(chǎn)品壟斷，可用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)的四象限電源處于空白狀態(tài)，針對(duì)這種現(xiàn)狀，進(jìn)行了高精度程控四象限電源的研制工作，通過大量的理論分析與測(cè)試，掌握提高電源精度及四象限工作的核心技術(shù)，最終開發(fā)出樣機(jī)，為打破國外產(chǎn)品對(duì)我國市場的壟斷奠定基礎(chǔ)。

1　總體設(shè)計(jì)

采用硬件反饋、閉環(huán)控制、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正、選擇低溫漂的器件及科學(xué)的PCB布局布線來提高精度和可靠性[3-4]；通過雙極性放大電路解決四象限輸出問題，借助大功率運(yùn)放解決功率問題；通過使用高精度、高穩(wěn)定性的18位A/D和16位D/A提高分辨率，最終制做出指標(biāo)達(dá)標(biāo)的樣機(jī)[5-6]。如圖1所示，電源的電路包括數(shù)字電路和模擬電路兩部分。數(shù)字部分主要完成目標(biāo)值設(shè)置及顯示、通過控制算法計(jì)算相應(yīng)DA值并向模擬電路輸出DA值、回讀模擬電路的AD值、通過控制信號(hào)線控制繼電器完成電流模式及電壓模式的切換，以及電源輸出的關(guān)閉與開啟。模擬電路主要實(shí)現(xiàn)DA信號(hào)的放大、電流電壓的輸出、取樣、硬件反饋及輸出調(diào)整、過流過壓保護(hù)[7-8]。

圖1　數(shù)字電路和模擬電路信號(hào)關(guān)系

2　電源的電路設(shè)計(jì)

2.1　數(shù)字電路設(shè)計(jì)

數(shù)字電路的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。主要由CPU、AD/DA轉(zhuǎn)換電路、鍵盤、數(shù)字旋鈕、串口、數(shù)碼管和指示燈構(gòu)成。CPU選用STM32F104，因?yàn)樵撔酒瑑?nèi)核是ARM公司為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的Cortex-M內(nèi)核，具有標(biāo)準(zhǔn)的ARM架構(gòu)和高性能、低電壓、低功耗、創(chuàng)新的內(nèi)核以及外設(shè)、簡單易用、自由、低風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)[9-10]。

圖2　數(shù)字電路組成

AD選用ADS1256，ADS1256 是TI 公司Burr-Brown 產(chǎn)品線推出的微功耗、高精度、8 通道、24 位△-Σ型高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。該器件提供高達(dá)23 bit的無噪聲精度、數(shù)據(jù)速率高達(dá)30 ksps(次采樣/s)、0.001 0%非線性特性(最大值)以及眾多的板上外設(shè)(輸入模擬多路開關(guān)、輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器等)，可帶來完整而高分辨率的量測(cè)解決方案[11-12]。

DA選用DAC8562，DAC8562是一款完整的并行輸入、16位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用+5 V單電源供電。這些單芯片DAC采用CBCMOS工藝制造，適合僅有+5 V電源的系統(tǒng)，具有成本低、易于使用的特點(diǎn)。 除DAC外，片內(nèi)還集成了一個(gè)軌到軌放大器、鎖存器和基準(zhǔn)電壓源?；鶞?zhǔn)電壓(REFOUT)調(diào)整至2.5 V，片內(nèi)放大器則將DAC輸出提升至4.095 V滿量程。用戶只需提供+5 V電源。DAC8562采用標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼方式。運(yùn)算放大器輸出擺幅為0 ～+4.095 V，分辨率為每位1 mV，能夠驅(qū)動(dòng)±5 mA電流。由于采用低溫度系數(shù)硅鉻薄膜電阻，因此相對(duì)于數(shù)字輸入碼的線性度誤差性能十分出色。高速并行數(shù)字接口可以與最快的處理器連接，并且處理器無需等待。該接口非常簡單，只需一個(gè)CE 信號(hào)。異步CLR 輸入可將輸出設(shè)置為零電平[13-14]。

鍵盤的設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。除數(shù)字鍵和小數(shù)點(diǎn)外，當(dāng)設(shè)置錯(cuò)誤時(shí)，用重置鍵刪除數(shù)字并重新輸入，Enter鍵表示確認(rèn)設(shè)置有效，IS/US用來切換恒流模式、恒壓模式，串口用來進(jìn)入和退出串口(當(dāng)進(jìn)入串口后，可以用上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置)，OUT用來開啟和關(guān)閉輸出。數(shù)字鍵控制某一個(gè)變量，IS/US控制某一繼電器，用來接通電流采樣或電壓采樣。

圖3　鍵盤設(shè)計(jì)示意

數(shù)碼管使用了4個(gè)8位數(shù)碼管，分別顯示設(shè)置電壓、回讀電壓、設(shè)置電流和回讀電流。預(yù)設(shè)5個(gè)指示燈：電源指示燈、信號(hào)輸出指示燈、電壓模式指示燈、電流模式指示燈和串口模式指示燈。當(dāng)按下串口鍵時(shí)，鍵盤設(shè)置失靈，將由上位機(jī)通過串口設(shè)置和回讀電流電壓，再次按串口鍵時(shí)，退出串口模式。

2.2　電路模擬設(shè)計(jì)

模擬部分電路設(shè)計(jì)是該作品的核心，模擬電路的原理如圖4所示，通過框圖說明電源的四象限工作原理及恒流恒壓原理。主回路A1、緩沖器、Si、Ri和反饋回路A3、S1、A2構(gòu)成負(fù)反饋恒流回路，負(fù)反饋穩(wěn)定后，VI+VF= 0。其中，VI為預(yù)設(shè)電流對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)值[15-16]。

由疊加原理：

成立。將VP=VQ+VRi代入上式，綜合求得：

VS=VS1+VS2=

模擬電路原理如圖4所示。

圖4　模擬電路原理

主回路A1、緩沖器和反饋回路A5、A4、反向器、A2構(gòu)成負(fù)反饋回路。由負(fù)反饋回路電路特性可知，當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定且R1=R2，必有VI+VF=0 成立，因?yàn)閂I和VF的任何偏差都會(huì)引起負(fù)反饋，自動(dòng)達(dá)到平衡，最終使得VI+VF=0 成立。因此有

如果R4=R5，并且VI=-VF，簡化上式得：

由于R10和RV是固定值，通過調(diào)節(jié)VI輸入，就可以得到不同的VO值。也可以理解為，因?yàn)閂I是恒定值，所以VO也是恒定值[17-18]。S1、S2、S3、S4為模式切換開關(guān)，通過繼電器控制開關(guān)的閉合。當(dāng)S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)將以電流取樣作為反饋信號(hào)，所示為恒流模式，電壓取樣信號(hào)將通過AD送到CPU并顯示。當(dāng)S2、S3閉合，S1、S4斷開時(shí)，將以電壓取樣作為反饋信號(hào)，所以為恒壓模式，電流取樣信號(hào)將通過ADC送到CPU并顯示。

3　軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)電源的功能，定義了按鍵處理模塊、數(shù)碼管顯示模塊和輸出調(diào)整模塊3個(gè)大的軟件模塊，每個(gè)模塊的功能用一個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。按鍵處理模塊對(duì)鍵盤按鍵進(jìn)行檢測(cè)，并返回鍵值，根據(jù)不同的鍵值調(diào)用不同的處理子函數(shù)，按鍵處理函數(shù)可以調(diào)用的子函數(shù)主要有目標(biāo)值設(shè)置函數(shù)、模式切換函數(shù)和輸出開關(guān)函數(shù)。數(shù)碼管顯示模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。輸出調(diào)整模塊調(diào)用輸出調(diào)整函數(shù)，將輸出采樣值和目標(biāo)值進(jìn)行比較，修正輸出結(jié)果[19]。軟件的主程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程

按鍵處理函數(shù)的流程圖如圖6所示。讀取鍵值，如果為數(shù)字鍵，則用該數(shù)字更新DA值；否則判斷是否為模式切換鍵，如果是模式切換鍵，則改變電源的工作模式；否則判斷是否為輸出開關(guān)鍵，如果是則改變輸出的閉合狀態(tài)；否則判斷是否為串口鍵，是則改變串口狀態(tài)；否則退出按鍵處理程序。輸出調(diào)整程序流程圖如圖7所示，先讀取AD值，與目標(biāo)值進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差，再將誤差帶入PID算法，調(diào)整電源的輸出[20-21]。

圖6　按鍵處理函數(shù)流程

圖7　輸出調(diào)整程序流程

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)本文設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。

圖8　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由構(gòu)成樣機(jī)的各個(gè)硬件模塊及軟件構(gòu)成，具備樣機(jī)的全部功能，由于工藝較差，性能低于樣機(jī)，但可以通過該系統(tǒng)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行功能測(cè)試及性能評(píng)估。通過測(cè)試，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具備四象限工作功能，輸出電壓偏差<0.2%，輸出電流偏差<0.5%，最大功率32 W，電流輸出范圍為-1.1～+1.1 A，電壓輸出范圍為-31～+31 V。目前市場高精度電源的主要品牌有吉時(shí)利、安捷倫、福祿克和菊水等，這些均為國外品牌，其特點(diǎn)是精度高、性能穩(wěn)定，但價(jià)格非常高昂，而且除了日本菊水之外，其他廠家未見有四象限電源推廣，要做恒流測(cè)壓和恒壓測(cè)流實(shí)驗(yàn)必須通過用電源、高精度電子負(fù)載、高精度萬用表搭建的平臺(tái)去完成。國內(nèi)儀器企業(yè)也未見有具備四象限功能的精密電源推出。該電源在達(dá)到目前市場上先進(jìn)的傳統(tǒng)兩象限電源的精度外，還具備四象限功能，可以滿足測(cè)試實(shí)驗(yàn)電源的技術(shù)要求，填補(bǔ)了市場空白。

5　結(jié)束語

本文電源是根據(jù)某國內(nèi)IC測(cè)試龍頭企業(yè)的需求而設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證電源的性能參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。研制成功后首先在IC測(cè)試行業(yè)進(jìn)行推廣，再逐漸向其他電子設(shè)計(jì)和測(cè)試領(lǐng)域推廣。由于該電源可以簡化很多電子測(cè)試工作且目前在市場上處于空白狀態(tài)，所以有較好的推廣前景。下一步將在獨(dú)立電源和作為IC測(cè)試機(jī)的電源板卡2個(gè)應(yīng)用方向進(jìn)行研究，在獨(dú)立電源方面加強(qiáng)工藝與外觀設(shè)計(jì)，在電源板卡方面改進(jìn)PCB板設(shè)計(jì)。