精密數(shù)字恒流源設(shè)計(jì)

摘 要 為滿足軍用實(shí)驗(yàn)室對恒流源的特殊要求，以單片機(jī)MSC1210為控制核心，高精度低溫漂雙通道數(shù)字電阻器MXA5494為調(diào)控平臺設(shè)計(jì)了精密數(shù)字恒流電源，通過負(fù)載電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換反饋回單片機(jī)的外部閉環(huán)誤差調(diào)整和由運(yùn)算放大器等構(gòu)成深度負(fù)反饋的內(nèi)部閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高精度高穩(wěn)定的恒流輸出目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 MSC1210；MAX5494；A/D轉(zhuǎn)換；精密恒流源；雙閉環(huán)控制回路

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0009-01

直流恒流源是電學(xué)儀表計(jì)量檢定、精密測量、科學(xué)研究等領(lǐng)域普遍使用的設(shè)備，傳統(tǒng)恒流源穩(wěn)流參數(shù)窄、精度和穩(wěn)定性不高，難以滿足現(xiàn)代精準(zhǔn)控制要求。本文以單片機(jī)為核心，采用負(fù)載電流經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換后反饋回單片機(jī)，經(jīng)分析處理與預(yù)設(shè)值比較，改變數(shù)字電阻器比值，調(diào)整基準(zhǔn)電壓輸出，調(diào)控負(fù)載電流，形成外部閉環(huán)的誤差調(diào)整，消除電路設(shè)計(jì)中的靜態(tài)誤差，達(dá)到輸出電流精度、穩(wěn)定性高和可調(diào)整范圍寬的目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 主要器件

MSC1210是新型多功能微處理器（簡稱MCU），集成了具有輸入緩沖、數(shù)字濾波、增益自動校正功能的可編程放大器，放大倍數(shù)在1～128，溫漂小于1.255PPM/℃；8通道24位低噪聲高精度A/D轉(zhuǎn)換器；片內(nèi)參考電壓精度為0.2%、溫漂小于5 PPM/℃，1.25 V或2.5 V可選；內(nèi)核與8051系統(tǒng)兼容，但速度快三倍速，RAM 1280字節(jié)，閃存32K；增加了16位的PWM輸出和可編程看門狗定時(shí)器等特別實(shí)用的電路。

MAX5494是雙路10 kΩ、10位（1024抽頭）、非易失、線性變化數(shù)字電位器，溫度系數(shù)小于35PPM/℃ 。MAX5494數(shù)字電位器設(shè)SPI串行外設(shè)接口，通過SPI對其內(nèi)部進(jìn)行控制。

1.2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源切換模塊的設(shè)計(jì)思想是解決輸出較大電流時(shí)，選擇合適的輸入電壓，降低在功率輸出場效應(yīng)管上的功耗。電源輸入有～9 V、～16 V、～21 V、～26 V四檔，由繼電器控制，主控器MCU按設(shè)定自動選擇。

微處理器MSC1210是系統(tǒng)的控制核心，內(nèi)部集成有高精度的2.5 V電壓基準(zhǔn)，由腳輸出。內(nèi)部集成SPI控制器，直接與MAX494相連。

MAX5494是10 kΩ、10位雙路數(shù)字電位器。當(dāng)使用其中一路電位器基準(zhǔn)電壓為2.5 V時(shí)，W1端輸出最小分辨率為u=2.5/1024=2.44 mV，如果將二路電位器串接起來：即W2端連接到H1端，則相當(dāng)于11位20 kΩ電位器，u=2.5/2048=1.22 mV。電路設(shè)計(jì)參考圖1。

IC1A、NMOS1、R6構(gòu)成第一級具有深度負(fù)反饋的電壓電流轉(zhuǎn)換電路。VMOS三極管為電壓控制器件，源極、漏極與柵極絕緣的，在本電路中流經(jīng)NMOS1漏極與流經(jīng)源極的電流Ι完全相等，不同于普通三極管，基極電流影響測控精度。當(dāng)IC1A同相輸入端電壓經(jīng)MCU指令MAX5494的W1輸出Vw1后，NMOS1源極電壓維持與Vw1相等，當(dāng)漏極電流增加時(shí)，則源極電壓增加，反饋到IC1A的反相輸入端，使輸出端電壓降低，從而控制NMOS1流經(jīng)漏源極電流減少，維持源極電壓與Vw1相等。只要基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定并選擇好R9、R6、R3，就能使輸出電流穩(wěn)定。

由R7、R10分壓和R8、C2構(gòu)成輸出電流取樣電路，R11為取樣電阻，5 mΩ，和R12、C4構(gòu)成電流采樣電路。

系統(tǒng)上電后，MCU根據(jù)按鍵設(shè)定值或上次儲存信息，解調(diào)出恒流電流數(shù)據(jù)，通過液晶屏顯示，等待允許輸出指令。MAX5494存儲的初始數(shù)據(jù)輸出為零。此時(shí)電流無輸出，在接到MCU指令后，調(diào)整到相應(yīng)電阻分壓數(shù)值后，由W1端輸出。輸出穩(wěn)定后，MCU啟動電壓A/D轉(zhuǎn)換通道和輸出電流A/D轉(zhuǎn)換通，監(jiān)視輸出情況，并適當(dāng)調(diào)整電源轉(zhuǎn)換模塊和MAX5494的分壓值。電流通道放大倍數(shù)16，經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換，精度優(yōu)于電流輸出。本系統(tǒng)采用R6=R3=33 Ω、R9=1.2 Ω，精度0.1%。最大輸出恒定電流2.048 A，分辨率1 mA。

2 軟件設(shè)計(jì)

維持穩(wěn)定高精度電流輸出，依賴于器件質(zhì)量，更依賴于軟件對數(shù)據(jù)的處理與對其它關(guān)鍵器件的調(diào)控。軟件采用KILE C51編寫，模塊化結(jié)構(gòu)。主要有LCD顯示、按鍵掃描、A/D轉(zhuǎn)換、MAX5494驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理等。

3 結(jié)束語

好的器件要與合理的設(shè)計(jì)、適宜的軟件相結(jié)合，才能體現(xiàn)整體優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用了性能優(yōu)異的微處理器MSC1201和高精度的數(shù)字電位器MAX5494，應(yīng)用了由MCU的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成反饋的數(shù)字閉環(huán)控制和由運(yùn)算放大器等構(gòu)成深度反饋的模擬閉環(huán)控制的雙閉環(huán)反饋控制回路系統(tǒng)，模擬反饋使電源系統(tǒng)快速反應(yīng)、數(shù)字反饋則維持電流輸出高精度和高穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]徐龍紅，杜軍，張紅印.線陣圖像傳感器TCD1208AP在桑蠶選種中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（6）：125-127.

[2]Maxim Integrated Inc.10-Bit Dual Nonvolatile Linear-Taper Digital Potentiometers[EB/0L].Printed USA.www.maxim-ic.com/packages.

作者簡介

杜軍（1961-），男，山東濰坊人，高級工程師，大學(xué)，從事計(jì)量管理與技術(shù)支持，研究方向：電子測量。endprint

摘 要 為滿足軍用實(shí)驗(yàn)室對恒流源的特殊要求，以單片機(jī)MSC1210為控制核心，高精度低溫漂雙通道數(shù)字電阻器MXA5494為調(diào)控平臺設(shè)計(jì)了精密數(shù)字恒流電源，通過負(fù)載電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換反饋回單片機(jī)的外部閉環(huán)誤差調(diào)整和由運(yùn)算放大器等構(gòu)成深度負(fù)反饋的內(nèi)部閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高精度高穩(wěn)定的恒流輸出目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 MSC1210；MAX5494；A/D轉(zhuǎn)換；精密恒流源；雙閉環(huán)控制回路

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0009-01

直流恒流源是電學(xué)儀表計(jì)量檢定、精密測量、科學(xué)研究等領(lǐng)域普遍使用的設(shè)備，傳統(tǒng)恒流源穩(wěn)流參數(shù)窄、精度和穩(wěn)定性不高，難以滿足現(xiàn)代精準(zhǔn)控制要求。本文以單片機(jī)為核心，采用負(fù)載電流經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換后反饋回單片機(jī)，經(jīng)分析處理與預(yù)設(shè)值比較，改變數(shù)字電阻器比值，調(diào)整基準(zhǔn)電壓輸出，調(diào)控負(fù)載電流，形成外部閉環(huán)的誤差調(diào)整，消除電路設(shè)計(jì)中的靜態(tài)誤差，達(dá)到輸出電流精度、穩(wěn)定性高和可調(diào)整范圍寬的目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 主要器件

MSC1210是新型多功能微處理器（簡稱MCU），集成了具有輸入緩沖、數(shù)字濾波、增益自動校正功能的可編程放大器，放大倍數(shù)在1～128，溫漂小于1.255PPM/℃；8通道24位低噪聲高精度A/D轉(zhuǎn)換器；片內(nèi)參考電壓精度為0.2%、溫漂小于5 PPM/℃，1.25 V或2.5 V可選；內(nèi)核與8051系統(tǒng)兼容，但速度快三倍速，RAM 1280字節(jié)，閃存32K；增加了16位的PWM輸出和可編程看門狗定時(shí)器等特別實(shí)用的電路。

MAX5494是雙路10 kΩ、10位（1024抽頭）、非易失、線性變化數(shù)字電位器，溫度系數(shù)小于35PPM/℃ 。MAX5494數(shù)字電位器設(shè)SPI串行外設(shè)接口，通過SPI對其內(nèi)部進(jìn)行控制。

1.2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源切換模塊的設(shè)計(jì)思想是解決輸出較大電流時(shí)，選擇合適的輸入電壓，降低在功率輸出場效應(yīng)管上的功耗。電源輸入有～9 V、～16 V、～21 V、～26 V四檔，由繼電器控制，主控器MCU按設(shè)定自動選擇。

微處理器MSC1210是系統(tǒng)的控制核心，內(nèi)部集成有高精度的2.5 V電壓基準(zhǔn)，由腳輸出。內(nèi)部集成SPI控制器，直接與MAX494相連。

MAX5494是10 kΩ、10位雙路數(shù)字電位器。當(dāng)使用其中一路電位器基準(zhǔn)電壓為2.5 V時(shí)，W1端輸出最小分辨率為u=2.5/1024=2.44 mV，如果將二路電位器串接起來：即W2端連接到H1端，則相當(dāng)于11位20 kΩ電位器，u=2.5/2048=1.22 mV。電路設(shè)計(jì)參考圖1。

IC1A、NMOS1、R6構(gòu)成第一級具有深度負(fù)反饋的電壓電流轉(zhuǎn)換電路。VMOS三極管為電壓控制器件，源極、漏極與柵極絕緣的，在本電路中流經(jīng)NMOS1漏極與流經(jīng)源極的電流Ι完全相等，不同于普通三極管，基極電流影響測控精度。當(dāng)IC1A同相輸入端電壓經(jīng)MCU指令MAX5494的W1輸出Vw1后，NMOS1源極電壓維持與Vw1相等，當(dāng)漏極電流增加時(shí)，則源極電壓增加，反饋到IC1A的反相輸入端，使輸出端電壓降低，從而控制NMOS1流經(jīng)漏源極電流減少，維持源極電壓與Vw1相等。只要基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定并選擇好R9、R6、R3，就能使輸出電流穩(wěn)定。

由R7、R10分壓和R8、C2構(gòu)成輸出電流取樣電路，R11為取樣電阻，5 mΩ，和R12、C4構(gòu)成電流采樣電路。

系統(tǒng)上電后，MCU根據(jù)按鍵設(shè)定值或上次儲存信息，解調(diào)出恒流電流數(shù)據(jù)，通過液晶屏顯示，等待允許輸出指令。MAX5494存儲的初始數(shù)據(jù)輸出為零。此時(shí)電流無輸出，在接到MCU指令后，調(diào)整到相應(yīng)電阻分壓數(shù)值后，由W1端輸出。輸出穩(wěn)定后，MCU啟動電壓A/D轉(zhuǎn)換通道和輸出電流A/D轉(zhuǎn)換通，監(jiān)視輸出情況，并適當(dāng)調(diào)整電源轉(zhuǎn)換模塊和MAX5494的分壓值。電流通道放大倍數(shù)16，經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換，精度優(yōu)于電流輸出。本系統(tǒng)采用R6=R3=33 Ω、R9=1.2 Ω，精度0.1%。最大輸出恒定電流2.048 A，分辨率1 mA。

2 軟件設(shè)計(jì)

維持穩(wěn)定高精度電流輸出，依賴于器件質(zhì)量，更依賴于軟件對數(shù)據(jù)的處理與對其它關(guān)鍵器件的調(diào)控。軟件采用KILE C51編寫，模塊化結(jié)構(gòu)。主要有LCD顯示、按鍵掃描、A/D轉(zhuǎn)換、MAX5494驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理等。

3 結(jié)束語

好的器件要與合理的設(shè)計(jì)、適宜的軟件相結(jié)合，才能體現(xiàn)整體優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用了性能優(yōu)異的微處理器MSC1201和高精度的數(shù)字電位器MAX5494，應(yīng)用了由MCU的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成反饋的數(shù)字閉環(huán)控制和由運(yùn)算放大器等構(gòu)成深度反饋的模擬閉環(huán)控制的雙閉環(huán)反饋控制回路系統(tǒng)，模擬反饋使電源系統(tǒng)快速反應(yīng)、數(shù)字反饋則維持電流輸出高精度和高穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]徐龍紅，杜軍，張紅印.線陣圖像傳感器TCD1208AP在桑蠶選種中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（6）：125-127.

[2]Maxim Integrated Inc.10-Bit Dual Nonvolatile Linear-Taper Digital Potentiometers[EB/0L].Printed USA.www.maxim-ic.com/packages.

作者簡介

杜軍（1961-），男，山東濰坊人，高級工程師，大學(xué)，從事計(jì)量管理與技術(shù)支持，研究方向：電子測量。endprint

摘 要 為滿足軍用實(shí)驗(yàn)室對恒流源的特殊要求，以單片機(jī)MSC1210為控制核心，高精度低溫漂雙通道數(shù)字電阻器MXA5494為調(diào)控平臺設(shè)計(jì)了精密數(shù)字恒流電源，通過負(fù)載電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換反饋回單片機(jī)的外部閉環(huán)誤差調(diào)整和由運(yùn)算放大器等構(gòu)成深度負(fù)反饋的內(nèi)部閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高精度高穩(wěn)定的恒流輸出目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 MSC1210；MAX5494；A/D轉(zhuǎn)換；精密恒流源；雙閉環(huán)控制回路

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0009-01

直流恒流源是電學(xué)儀表計(jì)量檢定、精密測量、科學(xué)研究等領(lǐng)域普遍使用的設(shè)備，傳統(tǒng)恒流源穩(wěn)流參數(shù)窄、精度和穩(wěn)定性不高，難以滿足現(xiàn)代精準(zhǔn)控制要求。本文以單片機(jī)為核心，采用負(fù)載電流經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換后反饋回單片機(jī)，經(jīng)分析處理與預(yù)設(shè)值比較，改變數(shù)字電阻器比值，調(diào)整基準(zhǔn)電壓輸出，調(diào)控負(fù)載電流，形成外部閉環(huán)的誤差調(diào)整，消除電路設(shè)計(jì)中的靜態(tài)誤差，達(dá)到輸出電流精度、穩(wěn)定性高和可調(diào)整范圍寬的目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 主要器件

MSC1210是新型多功能微處理器（簡稱MCU），集成了具有輸入緩沖、數(shù)字濾波、增益自動校正功能的可編程放大器，放大倍數(shù)在1～128，溫漂小于1.255PPM/℃；8通道24位低噪聲高精度A/D轉(zhuǎn)換器；片內(nèi)參考電壓精度為0.2%、溫漂小于5 PPM/℃，1.25 V或2.5 V可選；內(nèi)核與8051系統(tǒng)兼容，但速度快三倍速，RAM 1280字節(jié)，閃存32K；增加了16位的PWM輸出和可編程看門狗定時(shí)器等特別實(shí)用的電路。

MAX5494是雙路10 kΩ、10位（1024抽頭）、非易失、線性變化數(shù)字電位器，溫度系數(shù)小于35PPM/℃ 。MAX5494數(shù)字電位器設(shè)SPI串行外設(shè)接口，通過SPI對其內(nèi)部進(jìn)行控制。

1.2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源切換模塊的設(shè)計(jì)思想是解決輸出較大電流時(shí)，選擇合適的輸入電壓，降低在功率輸出場效應(yīng)管上的功耗。電源輸入有～9 V、～16 V、～21 V、～26 V四檔，由繼電器控制，主控器MCU按設(shè)定自動選擇。

微處理器MSC1210是系統(tǒng)的控制核心，內(nèi)部集成有高精度的2.5 V電壓基準(zhǔn)，由腳輸出。內(nèi)部集成SPI控制器，直接與MAX494相連。

MAX5494是10 kΩ、10位雙路數(shù)字電位器。當(dāng)使用其中一路電位器基準(zhǔn)電壓為2.5 V時(shí)，W1端輸出最小分辨率為u=2.5/1024=2.44 mV，如果將二路電位器串接起來：即W2端連接到H1端，則相當(dāng)于11位20 kΩ電位器，u=2.5/2048=1.22 mV。電路設(shè)計(jì)參考圖1。

IC1A、NMOS1、R6構(gòu)成第一級具有深度負(fù)反饋的電壓電流轉(zhuǎn)換電路。VMOS三極管為電壓控制器件，源極、漏極與柵極絕緣的，在本電路中流經(jīng)NMOS1漏極與流經(jīng)源極的電流Ι完全相等，不同于普通三極管，基極電流影響測控精度。當(dāng)IC1A同相輸入端電壓經(jīng)MCU指令MAX5494的W1輸出Vw1后，NMOS1源極電壓維持與Vw1相等，當(dāng)漏極電流增加時(shí)，則源極電壓增加，反饋到IC1A的反相輸入端，使輸出端電壓降低，從而控制NMOS1流經(jīng)漏源極電流減少，維持源極電壓與Vw1相等。只要基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定并選擇好R9、R6、R3，就能使輸出電流穩(wěn)定。

由R7、R10分壓和R8、C2構(gòu)成輸出電流取樣電路，R11為取樣電阻，5 mΩ，和R12、C4構(gòu)成電流采樣電路。

系統(tǒng)上電后，MCU根據(jù)按鍵設(shè)定值或上次儲存信息，解調(diào)出恒流電流數(shù)據(jù)，通過液晶屏顯示，等待允許輸出指令。MAX5494存儲的初始數(shù)據(jù)輸出為零。此時(shí)電流無輸出，在接到MCU指令后，調(diào)整到相應(yīng)電阻分壓數(shù)值后，由W1端輸出。輸出穩(wěn)定后，MCU啟動電壓A/D轉(zhuǎn)換通道和輸出電流A/D轉(zhuǎn)換通，監(jiān)視輸出情況，并適當(dāng)調(diào)整電源轉(zhuǎn)換模塊和MAX5494的分壓值。電流通道放大倍數(shù)16，經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換，精度優(yōu)于電流輸出。本系統(tǒng)采用R6=R3=33 Ω、R9=1.2 Ω，精度0.1%。最大輸出恒定電流2.048 A，分辨率1 mA。

2 軟件設(shè)計(jì)

維持穩(wěn)定高精度電流輸出，依賴于器件質(zhì)量，更依賴于軟件對數(shù)據(jù)的處理與對其它關(guān)鍵器件的調(diào)控。軟件采用KILE C51編寫，模塊化結(jié)構(gòu)。主要有LCD顯示、按鍵掃描、A/D轉(zhuǎn)換、MAX5494驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理等。

3 結(jié)束語

好的器件要與合理的設(shè)計(jì)、適宜的軟件相結(jié)合，才能體現(xiàn)整體優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用了性能優(yōu)異的微處理器MSC1201和高精度的數(shù)字電位器MAX5494，應(yīng)用了由MCU的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成反饋的數(shù)字閉環(huán)控制和由運(yùn)算放大器等構(gòu)成深度反饋的模擬閉環(huán)控制的雙閉環(huán)反饋控制回路系統(tǒng)，模擬反饋使電源系統(tǒng)快速反應(yīng)、數(shù)字反饋則維持電流輸出高精度和高穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]徐龍紅，杜軍，張紅印.線陣圖像傳感器TCD1208AP在桑蠶選種中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（6）：125-127.

[2]Maxim Integrated Inc.10-Bit Dual Nonvolatile Linear-Taper Digital Potentiometers[EB/0L].Printed USA.www.maxim-ic.com/packages.

作者簡介

杜軍（1961-），男，山東濰坊人，高級工程師，大學(xué)，從事計(jì)量管理與技術(shù)支持，研究方向：電子測量。endprint