高精度數(shù)控恒流源的設計與實現(xiàn)

宋林桂

（蘇州健雄職業(yè)技術學院 電氣工程學院，江蘇 太倉 215411）

高精度數(shù)控恒流源的設計與實現(xiàn)

宋林桂

（蘇州健雄職業(yè)技術學院 電氣工程學院，江蘇 太倉 215411）

為了滿足可調溫無紡布熱切割機對恒流源的需求，文章闡述了一種基于單片機的高精度數(shù)控恒流源的設計和實現(xiàn)方法。該電源以電流串聯(lián)負反饋式壓控恒流源電路為基礎，以AT89S52單片機為控制核實現(xiàn)數(shù)字化控制。為實現(xiàn)高精度要求，在數(shù)控部分中，要采用12位高精度數(shù)字模擬轉換器（Digital Analog Converter， DAC）芯片TLV5616控制壓控恒流源的輸出電流，并利用16位高精度模數(shù)轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）芯片ADS1115測量輸出電流。文章采用矩陣鍵盤設定電流輸出值，采用LCD12864液晶屏顯示設定的電流和負載兩端電壓值。測試結果表明，本恒流源在20～2000mA輸出電流時，輸出電流與給定值誤差小于5mA。

AT89S52；恒流源；ADS1115；TLV5616

高精度恒流源是一種非常重要的特種電源，在現(xiàn)代科學研究和醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應用。傳統(tǒng)的恒流源往往用電位器調節(jié)輸出電流，其精度較差，且無法實現(xiàn)精確步進。目前，恒流源已朝著數(shù)字化方向發(fā)展，多采用模數(shù)和數(shù)模轉換器實現(xiàn)數(shù)字化控制，具有高精度、高穩(wěn)定性等特點［1］。

1　系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)主要由電源模塊、恒流源電路模塊、負載模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊、鍵盤顯示模塊、ADC電路模塊和DAC電路模塊、LCD12864液晶顯示電路以及4×4矩陣鍵盤電路構成，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2　硬件設計

2.1 電源電路

系統(tǒng)中使用到集成運算放大器，集成運算放大器供電使用正負電源。如圖2所示，為了減少系統(tǒng)輸出的紋波系數(shù)，系統(tǒng)選用±12V變壓器把市電降成低壓，變壓器變壓后經(jīng)過整流濾波得到正直流電源DC+和負直流電源DC-，正電源DC+和負電源DC-為集成運算放大器提供正負電源。恒流源電路主回路有大電流流過，正電源DC+直接為恒流源電路主回路供電，提高了系統(tǒng)的效率，正電源DC+經(jīng)過穩(wěn)壓器78L05穩(wěn)壓輸出5V電源為系統(tǒng)中的數(shù)字電路部分供電。

圖2 電源模塊原理圖

2.2 恒流源電路

根據(jù)集成運算放大器的虛短虛斷原理，如圖3所示，Vda=Vain0=Vrs2=RS2*I，流過電阻RS2的電流I=Vda/RS2。根據(jù)KCL原理，三級管基級電流忽略不計，流過負載RL的電流I2=I=Vda/RS2，RS2是一個0.5Ω的電阻，I2=2Vda，流過負載的電流和DAC芯片輸出電壓值Vda是2倍關系。通過改變DAC芯片輸出電壓值來改變系統(tǒng)輸出電流值的大小，從而達到數(shù)控恒流的目的。系統(tǒng)的輸出電流達到2A，選用大功率三極管2N3055，為了減少三極管的溫飄和產(chǎn)生的熱噪聲，在三極管上面加了散熱器和小型直流散熱風扇。采樣電阻RS2上會有大電流流過，普通大功率水泥電阻溫度系數(shù)大，溫度系數(shù)大的電阻當電阻溫度發(fā)生變化時電阻的阻值變化大，溫度系數(shù)大的電阻不適合做采樣電阻，該采樣電阻選用溫度系數(shù)小的康銅絲。

2.3 ADC電路原理

為了達到準確的電流控制，系統(tǒng)采用ADC電路來采集恒流源中電阻RES2兩端的電壓，來測量輸出電流的大小，通過閉環(huán)來調節(jié)輸出電流的大小，使輸出電流接近設定值。ADC芯片選用TI公司的16位ADC芯片ADS1115， ADS1115有一個板上基準和振蕩器，ADS1115和單片機通過I2C總線通信。ADS1115采用2.0～5.5V的工作電源，系統(tǒng)的數(shù)字電路部分的供電電壓是5V，系統(tǒng)中ADS1115的供電電壓是5V。ADS1115有4個單獨電壓測量端，可以組成2個差分輸入電壓測量。恒流源電路中采樣電阻阻值是0.5Ω，最大輸出電流是2A，采樣電阻兩端電壓最大是1V，為了提高測量采樣電壓的精度，ADS1115的基準電壓選擇1.024V，該基準電壓是通過配置ADS1115寄存器有ADS1115內部產(chǎn)生。同時負載兩端的電壓經(jīng)過分壓降壓后給ADC測量，測量出負載兩端的電壓。

圖3 恒流源電路原理圖

2.4 DAC電路原理

為提高輸出電流的控制精度，采用了高精度12位DAC芯片TLV5616。TLV5616是一種電壓輸出型的4線可變串行接口數(shù)模轉換器。為了應用于CMOS處理中，TLV5616設計了2.7～5.5V的單電源供電范圍。其輸出緩沖是2倍增益軌對軌（railtorail）輸出放大器，使最大輸出電壓為參考電壓的2倍。實際電路中，模塊的工作電源為5V，參考模擬輸入電壓REFIN由外部基準電壓電路提供，取2.50V［2］。基準電壓電路有TL431組成，TL431是可控精密穩(wěn)壓源，它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意方便設置到Verf2.5～36V范圍內的任何值。

2.5 單片機控制顯示電路

單片機選擇AT89S52，AT89S52是一種最基本的8位單片機，擁有一些基本的硬件資源，為了減少系統(tǒng)成本，系統(tǒng)主控芯片選用AT89S52。為了達到良好的人機交互系統(tǒng)，系統(tǒng)選用4×4矩陣鍵盤作為輸入設備，系統(tǒng)選用128×64像素的LCD12864液晶屏作為顯示設備。系統(tǒng)使用矩陣鍵盤設定輸出電流值，LCD12864液晶屏顯示輸出電流值和負載兩端電壓大小。

3　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)初始化包括LCD12864液晶屏初始化和TLV5616初始化，為了優(yōu)化程序把漢字和單位字符在系統(tǒng)初始化時就寫到12864液晶屏寄存器里，不需要在更新顯示電壓和電流值時把漢字和字符重復更新。4×4矩陣按鍵除了有數(shù)字鍵還有設定按鍵、確定按鍵和取消按鍵，當設定按鍵開始按下時開始設定輸出電流大小，確定按鍵按下時更新輸出電流，當設定電流輸入錯誤時按下取消按鍵可以重新設定輸出電流值。單片機根據(jù)設定電流通過DAC芯片輸出模擬電壓量給恒流源電路，恒流源電路輸出電流和設定電流有一些偏差，為此增加了反饋回路，提高輸出電流的精度。ADC芯片檢測采樣電阻電壓的大小，單片機根據(jù)采樣電阻電壓大小運算得到恒流源的輸出電流大小，將檢測到的輸出電流和設定電流進行比較，如圖4所示，根據(jù)比較結果增大或減少DAC芯片輸出模擬電壓量，使檢測到的輸出電流和設定電流在允許誤差范圍內，在20～1 000mA范圍內允許誤差±1mA，在1 000～15 00mA范圍內允許誤差±2mA，在1 500～2 000mA范圍內允許誤差±4mA。單片機再通過ADC芯片測量負載兩端的電壓，LCD顯示設定電流值和負載兩端電壓值。

圖4 系統(tǒng)流程圖

4　系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的輸出電流精度比較高，普通的萬用表無法滿足測量要求，故使用6位半數(shù)字萬用表進行電流測量。在負載是2Ω的情況下，測量實際輸出電流和設定電流比較，測試系統(tǒng)的輸出精度。在設定電流是1000mA的情況下，改變負載電阻然后測量實際電流的大小，測試系統(tǒng)的恒流性能。

表1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

5　結語

該數(shù)控直流恒流源具有精度高、穩(wěn)定度強等優(yōu)點，該系統(tǒng)可以用作可調溫無紡布熱切割機的驅動控制電路，可調溫無紡布熱切割機的切割刀是一段加熱絲，把加熱絲接在系統(tǒng)的負載端，通過改變加熱絲上的電流來改變加熱絲的切割溫度，能夠起到很好地控制切割溫度的作用。

［1］黃天辰，賈嵩.高精度數(shù)控直流恒流源的設計與實現(xiàn)［J］.儀表技術與傳感器，2013（6）：27-29.

［2］榮軍，楊學海.基于單片機的簡易恒流源系統(tǒng)的設計［J］.電子器件，2013（2）：225-229.

［3］鐘乃元，高飛.大電流高精度恒流源［J］.電子測量技術，2007（9）：176-179.

Design and implementation of high precision numerical control constant current source

Song Lingui
（Electrical Engineering School of Chien-shiung Institute of Technology， Taicang 215411， China）

In order to meet the demand of temperature adjustable non-woven hot cutting machine for the constant current source， the paper introduced a design and implementation method of high precision CNC based on constant current source. The power supply is based on the current series negative feedback voltage controlled constant current source circuit， taking AT89S52 microcontroller as the control core to realize digital control. To achieve the requirements of high precision， in the numerical control part， a 12 bit high precision DAC（Digital Analog Converter）control chip TLV5616 voltage is used to control the output current of constant current source controlled by voltage， and the 16 bit high precision ADC（Analog to Digital Converter）measurement chip ADS1115 is used to measure output current. The article uses the matrix keyboard to set the current output value， with LCD12864 liquid screen showing voltage value of both current and the load end. The results showed that the error between output current and the given value is less than 5mA when the constant current source is outputing current in the range of 20～2000mA .

AT89S52； constant current source； ADS1115； TLV5616

宋林桂（1990— ），男，安徽亳州，助理實驗師；研究方向：嵌入式應用設計。