基于LPC938的高精度數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)

總體方案選擇與設(shè)計(jì)
1方案論證與比較
① 主電路及調(diào)整方式的選擇

方案一 開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)整
開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)整方式效率高，普遍應(yīng)用于計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代數(shù)字儀器中，但一般紋波較大，難以控制，很有可能造成設(shè)計(jì)的失敗和技術(shù)參數(shù)的超標(biāo)。

方案二 串聯(lián)反饋調(diào)整
該方案采用負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，從輸出電壓取樣與基準(zhǔn)電壓比較，并將誤差經(jīng)放大器放大后反饋至調(diào)整管，使輸出電壓在電網(wǎng)電壓變動(dòng)的情況下仍能保持穩(wěn)定。該電路輸出電壓穩(wěn)定性好，負(fù)載調(diào)整率高，引入的負(fù)反饋使紋波電壓大大減小，且電路簡(jiǎn)單、容易調(diào)試。但其屬于線性穩(wěn)壓源，即調(diào)整管工作在放大區(qū)，因而功耗比較大。

方案三 綜合以上兩種方案
結(jié)合開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)整與串聯(lián)反饋調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，在串聯(lián)反饋調(diào)整的基礎(chǔ)上增加一級(jí)預(yù)穩(wěn)壓，構(gòu)成智能恒壓差系統(tǒng)，在保證調(diào)節(jié)范圍的基礎(chǔ)上減少功耗。

② 控制方案的論證比較
方案一 計(jì)數(shù)式數(shù)字電路控制
此方案使用計(jì)數(shù)器來(lái)來(lái)控制輸出電流的步進(jìn)，是一種采用小規(guī)模數(shù)字電路的控制方法。其優(yōu)點(diǎn)是不需要軟件支持，但元件多、硬件電路復(fù)雜、控制呆板、步進(jìn)難以改變，且精度不高，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

方案二 CPLD控制
采用大規(guī)模數(shù)字邏輯電路CPLD，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度控制，功耗也不大，但其成本高、設(shè)計(jì)復(fù)雜。

方案三 單片機(jī)控制
單片機(jī)控制系統(tǒng)具有成本低、控制靈活的特點(diǎn)，通過軟件的編制能夠?qū)崿F(xiàn)多種控制算法，且控制精度高、功耗低；特別是現(xiàn)代的增強(qiáng)型單片機(jī)，具有D/A、A/D、PWM、ICP等多種功能，能夠單片完成較復(fù)雜的控制要求，所以選擇單片機(jī)控制方式。

2 總體方案設(shè)計(jì)
綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)了響應(yīng)速度快的模擬內(nèi)環(huán)和調(diào)節(jié)精度高的數(shù)字外環(huán)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過面板按鍵對(duì)電流值進(jìn)行預(yù)置，單片機(jī)輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過PWM控制、信號(hào)放大、電平轉(zhuǎn)換，通過串聯(lián)式穩(wěn)壓調(diào)整管輸出電流信號(hào)。實(shí)際輸出的電流再利用精密電阻采樣變成電壓信號(hào)，經(jīng)過高輸入阻抗、高精度放大器、A/D轉(zhuǎn)換器，將信號(hào)反饋到單片機(jī)中。單片機(jī)將輸出反饋信號(hào)再與預(yù)置值比較，送出調(diào)整信號(hào)，再輸出新的電流。這樣就形成了模擬內(nèi)環(huán)和數(shù)字外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，提高了輸出電流的范圍、精度、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，降低了功耗和紋波，并且電路簡(jiǎn)單、步進(jìn)可調(diào)、可擴(kuò)展能力強(qiáng)（見圖1）。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

理論分析、電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算
電流源的硬件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)及A/D接口電路、PWM智能控制恒壓差及串聯(lián)調(diào)整模塊、鍵盤與顯示電路、控制電源模塊等組成。下面將分別對(duì)各部分進(jìn)行分析并給出實(shí)現(xiàn)方案。

1 單片機(jī)系統(tǒng)及A/D接口模塊
單片機(jī)選P89LPC938，它是基于80C51內(nèi)核的高速、低功耗的帶片內(nèi)8Kb F1ash的8位單片機(jī)，其指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。P89LPC938內(nèi)部主要集成了字節(jié)方式的I2C總線、SPI接口、UART通信接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、EEPROM、PWM、ICP、A/D轉(zhuǎn)換等一系列有特色的功能部件。

本設(shè)計(jì)需要三路A/D采樣，其中對(duì)電流的采樣要有很高的精度，考慮到控制精度要求，我們用16位的ADS1100芯片（含PGA放大器）對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，用938單片機(jī)的10位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)另外兩路信號(hào)進(jìn)行采樣（P0.1，P0.2）。

由于P89LPC938和ADS1110內(nèi)部均帶有I2C總線，所以它們的連接很簡(jiǎn)單。P89LPC938的P2.2，P2.3，P2.4，P2.5腳用于鍵盤顯示功能，P2.6，P1.6用于PWM的輸出。

2 PWM智能控制恒壓差及串聯(lián)調(diào)整模塊
此部分是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的核心，它直接關(guān)系到輸出電流的范圍、精度、紋波與電路的功耗。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)總體框圖