徐 建，何騰鵬

（湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北 恩施 445000）

數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)

徐 建，何騰鵬

（湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北 恩施 445000）

提出一種基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.采用32位STM32單片機(jī)作為微控制器，配備鍵盤輸入模塊、D／A轉(zhuǎn)換模塊、恒流源模塊、A／D采集模塊、液晶顯示模塊搭建起整個(gè)系統(tǒng).通過硬件系統(tǒng)測(cè)試，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易人機(jī)交互通信，在量程允許范圍內(nèi)，恒流源系統(tǒng)具有步進(jìn)加減功能，能任意設(shè)定輸出電流，并且該系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，誤差小，精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng).

單片機(jī)；數(shù)字控制；恒流源；放大器

電源是一切電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是電子設(shè)備不可或缺的重要組成部分，電源技術(shù)已發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù).目前實(shí)驗(yàn)室所用的多半是傳統(tǒng)的直流電源，這種電源主要存在輸出精度不夠和穩(wěn)定性不高等問題.數(shù)控直流電源不僅具有良好的輸出質(zhì)量而且還具有多功能以及一定的智能化，以精確的微機(jī)控制取代不精確的人為操作，在實(shí)驗(yàn)開始之前就對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，這將會(huì)給各領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)研究帶來不同程度的便捷［1］.

1 數(shù)控恒流源系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括微控制器、鍵盤輸入模塊、D／A轉(zhuǎn)換模塊、恒流源模塊、A／D采集模塊、液晶顯示模塊等幾部分構(gòu)成.其整體原理框圖如圖1所示，可以通過鍵盤進(jìn)行預(yù)置數(shù)，再經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換將預(yù)制數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，來控制電流源的輸出電流；結(jié)合閉環(huán)控制的理念，通過采樣電路實(shí)時(shí)采集輸出電流值，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換器及時(shí)送回控制器，處理器將預(yù)置值與采樣值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果作出相應(yīng)的調(diào)整補(bǔ)償，以便使輸出結(jié)果盡可能地接近預(yù)置值.

2 數(shù)控恒流源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System design block diagram

2.1 恒流源恒流電路的設(shè)計(jì)

恒流源的恒流電路如圖2所示，D／A轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)可能不穩(wěn)定，可在其后加入一個(gè)電壓跟隨器或是瓷片電容，增強(qiáng)穩(wěn)定性.單運(yùn)放OP07的同向輸入端經(jīng)過一顆阻值為3600歐姆的電阻和滿量程為1000歐姆的電位器與DAC轉(zhuǎn)換器的輸出口相連，調(diào)節(jié)電位器的阻值的大小即可改變運(yùn)算放大器OP07同相輸入端的輸入電壓，OP07的輸出端經(jīng)過1000歐姆的電阻連到達(dá)林頓管的基極引腳B上，瓷片電容C2主要用于過濾掉由運(yùn)放輸出口進(jìn)入到達(dá)林頓管產(chǎn)生的自激信號(hào).利用達(dá)林頓管的電流放大特性，可實(shí)現(xiàn)大電流的輸出，電流放大倍數(shù)為1000～15000倍［2］.

圖2 恒流源恒流電路圖Fig.2 Constant current source circuit

2.2 A／D模塊的設(shè)計(jì)

恒流源系統(tǒng)選用12位的ADS7818作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行電壓間轉(zhuǎn)換.ADS7818參考電源有兩種選擇，內(nèi)部參考電源為2.5V.當(dāng)選用內(nèi)部參考電源時(shí)，外部模擬電壓的輸入范圍為GND－200 mV～Vcc＋200 mV，通常需并聯(lián)0.1uF的瓷片電容和2.2uF的電解電容對(duì)2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行濾波處理，注意瓷片電容應(yīng)盡可能地靠近VREF引腳［3］.A／D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示.

2.3 D／A模塊的設(shè)計(jì)

D／A模塊設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示，這里D／A的作用是把代表一定電壓的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓值.電路選用的 D／A轉(zhuǎn)換芯片是 12位的TLV5616，有4096級(jí)電壓輸出，其轉(zhuǎn)換精度完全符合設(shè)計(jì)要求，本電路采用達(dá)林頓管TL431為DAC轉(zhuǎn)換器提供外部基準(zhǔn)電壓［4］.

圖3 A／D硬件電路圖Fig.3 A／D hardware circuit diagram

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用前后臺(tái)結(jié)構(gòu)的方式對(duì)各個(gè)功能模塊程序進(jìn)行合理調(diào)配，其任務(wù)主要有A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換、步進(jìn)加減、鍵盤掃描、液晶顯示等.當(dāng)系統(tǒng)上電后，主程序先對(duì)包括中斷系統(tǒng)，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，I／O口在內(nèi)的系統(tǒng)初始化，等到初始化完成后打開中斷，進(jìn)入鍵盤掃描子函數(shù)［5］.鍵盤掃描函數(shù)獲取鍵值后，完成預(yù)定電流值設(shè)置，通過按鍵步進(jìn)加或步進(jìn)減并及時(shí)在LCD上顯示輸出電流值以及狀態(tài)標(biāo)志.主程序流程圖如圖5所示.

圖4 D／A硬件電路圖Fig.4 D／A hardware circuit diagram

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

本系統(tǒng)采用數(shù)字示波器、UT56型數(shù)字萬(wàn)用表、GB－9B型低頻毫伏表等設(shè)備對(duì)數(shù)控恒流源進(jìn)行性能測(cè)試.其中數(shù)字示波器除了用于觀察紋波電壓大小外，也可取代數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量負(fù)載電壓，配上電流感應(yīng)探棒，還可用于測(cè)量負(fù)載電流，并且測(cè)量精度較高.當(dāng)負(fù)載為20歐姆時(shí)，測(cè)試結(jié)果如下：

1）輸出電流與給定值的偏差，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1.

測(cè)試結(jié)果分析：輸出電流誤差在允許的范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)的誤差精度要求.同時(shí)電流值較小時(shí)，輸出電流更接近預(yù)置電流值.當(dāng)電流變大時(shí)，由于達(dá)林頓管在大電流工作情況下會(huì)發(fā)熱，若熱量得不到迅速釋放，恒流源性能會(huì)下降，導(dǎo)致輸出不準(zhǔn).誤差存在的另一個(gè)原因是采樣電阻受熱，使電壓輸出呈現(xiàn)非線性特性［6］.

2）步進(jìn)電流的測(cè)試

設(shè)定電流700mA，按加與按減的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2和表3.

表1 輸出電流與給定值偏差數(shù)據(jù)Tab.1 Deviation data for output current and given value

表2 步進(jìn)電流數(shù)據(jù)Tab.2 Step current data

表3 步進(jìn)電流數(shù)據(jù)Tab.3 Step current data

測(cè)試結(jié)果分析：輸出電流在誤差允許的范圍之內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)2mA，滿足≤10mA的設(shè)計(jì)要求.

3）改變接入系統(tǒng)的負(fù)載阻值大小.

（i）給定電流Id＝200 mA時(shí)，Id×1%＋10mA＝12（mA）.

測(cè)試結(jié)果分析：如表4～6所示，負(fù)載電壓變化，當(dāng)預(yù)置電流在200 mA時(shí)，恒流特性可靠，誤差較小.當(dāng)預(yù)置電流為900mA和1800mA時(shí)，輸出電流誤差相較于200mA時(shí)有所增大，主要是因?yàn)殡娏鬟^大芯片發(fā)熱引起非線性誤差，但仍符合設(shè)計(jì)要求［7］.

表4 給定電流200mA時(shí)輸出電流數(shù)據(jù)Tab.4 Output current data for a given current 200mA

圖5 系統(tǒng)程序主流程圖Fig.5 System program flow chart

（ii）給定電流Id＝900 mA時(shí)，Id×1%＋10mA＝19（mA）.

（iii）給定電流Id＝1800mA時(shí)，Id×1%＋10mA＝28（mA）.

表5 給定電流900mA時(shí)輸出電流數(shù)據(jù)Tab.5 Output current data for a given current 900mA

表6 給定電流1800mA時(shí)輸出電流數(shù)據(jù)Tab.6 Output current data for a given current 1800mA

4）紋波電流

取負(fù)載電阻RL＝10Ω，紋波電流＝紋波電壓／負(fù)載電阻.測(cè)試數(shù)據(jù)如表7.

測(cè)試結(jié)果分析：由于系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間獨(dú)立供電，GND統(tǒng)一連接至一點(diǎn)，加上輸入輸出都有濾波電容，輸出電流在誤差允許的范圍之內(nèi)，且紋波較?。?］.

表7 紋波電流測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.7 Ripple current test data

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)出一種基于STM32單片機(jī)的數(shù)控直流恒流源.通過4×4矩陣鍵盤給恒流源系統(tǒng)設(shè)定預(yù)置電流，單片機(jī)將預(yù)置電流對(duì)應(yīng)的數(shù)字量送給12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5616進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，TLV5616將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓送給恒流源模塊進(jìn)行放大處理，由單運(yùn)放OP07和達(dá)林頓管TIP122組成的恒流源模塊與ADS7818模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)構(gòu)成雙重反饋電路，對(duì)輸出結(jié)果及時(shí)作出補(bǔ)償修正，并送到液晶顯示模塊TS12864進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示.最后對(duì)該恒流源進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，該恒流源具有較高的精度和穩(wěn)定度，基本滿足設(shè)計(jì)要求.

［1］陳振一，余水寶，王關(guān)橋，等.基于單片機(jī)的高穩(wěn)定數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014（11）：142－142.

［2］康學(xué)福.基于89C2051單片機(jī)控制的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（6）：136－139.

［3］楊學(xué)海，榮軍，陳超，等.簡(jiǎn)易數(shù)字控制恒流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)［J］.電子技術(shù)，2012，39（4）：50－52.

［4］吳寧勝.基于MCS－51單片機(jī)的數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)試，2015（5）：15－17.

［5］夏桂書.基于單片機(jī)的高性能數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013（4）：2－3.

［6］夏云生，徐橋松.基于PROTEUS的數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)與仿真［J］.電子測(cè)試，2012（6）：79－82.

［7］羅陶.基于TMS320F28022的數(shù)控恒流電源設(shè)計(jì)方案概述［J］.科技視界，2013（4）：132－134.

［8］黃天辰，賈嵩，余建華，等.高精度數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2013（6）：27－29.

責(zé)任編輯：時(shí) 凌

Design of Numerical Constant Current Sourcer

XU Jian，HE Tengpeng
（College of Science and Technology，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

In this paper，a design scheme of digital control DC constant current source system based on microcomputer control is presented.Using 32 bit STM32 as a microcontroller，equipped with keyboard in?put module，D／A conversion module，constant current source module，A／D acquisition module，LCD mod?ule to build up the whole system.Through the hardware system test，the system can realize the simple hu?man－computer interaction and communication，in the range of the range，the constant current source sys?tem has the function of stepping add and subtraction，can set the output current，and the output of the sys?tem is stable，the error is small，the precision is high，with the load capacity is strong.

MCU；digital－control；constant current source；amplifier

TN710

A

1008－8423（2015）03－0304－04

10.13501／j.cnki.42－1569／n.2015.09.020

2015－08－16.

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（B2015107）；湖北民族學(xué)院科技學(xué)院科研項(xiàng)目（KY201418）.

徐建（1981－），男，碩士，講師，主要從事嵌入式與智能控制的研究.