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基于LPC938的高精度數(shù)控直流電流源的設計

作者: 時間:2011-04-27 來源:網(wǎng)絡 收藏

① 開關電源預調整部分
如圖2所示,由于輸出電壓不能超過10V,為了提高效率,減少紋波,先通過降壓變壓器及整流橋將220V的交流電整成約18V的電,通過開關管Q1、Q2,續(xù)流二級管D5,儲能電感L1、L2和濾波電容C1、C2,構成預穩(wěn)壓開關電源。單片機通過自帶的兩路A/D對串聯(lián)調整部分中達林頓管集電級和發(fā)射級的電壓進行采樣(AD0,AD1),通過它們的差值來調整PWM1的占空比,穩(wěn)定開關電源的輸出,從而構成智能恒壓差控制系統(tǒng)。這樣,既可保證串聯(lián)調整電路所需的電壓差,又降低了串聯(lián)調整電路輸出的損耗,提高了恒流模塊的整體效率。在整個模塊輸入電壓發(fā)生較大變化時也能進行穩(wěn)流,由于開關頻率遠高于工頻,紋波也會因此大大降低。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/162136.htm


對于Q1、Q2,已知β=30,最大為2A,Ui=18V,有:
I=2/β=0.067A (1)
R1=(Ui-0.7-0.3)/IR1=254Ω (2)
取R1為270Ω,938管腳輸出的最大電壓為3V,通過R2的為:
IR2=IR1/β=0.067/30=0.0022A (3)
R2=(3-0.7)/IR2=1K (4)
由于本對紋波的要求比較高,所以穩(wěn)流電感L1、L2和濾波電容C1、C2的選取值至關重要。設電感L1的輸入電壓Vi,電感L2的輸出電壓Vo,則占空比為:
D=Vo/Vi=0.722 (5)
設工作頻率fS=10kHz,則TS=0.0001S,負載R取5Ω,紋波電壓為輸入電壓的0.5%,即ΔVo/Vo=0.5%,則:
L1=L2=(1-D)RTS/2=69.5μH (6)
C1=C2=VoDTS2/8LΔVo=2500μF (7)


② 串聯(lián)調整部分
這部分將單片機輸出的PWM方波通過多級RC濾波,形成平穩(wěn)的基準電壓,作為模擬內環(huán)的給定值,輸出范圍20~2000mA,步長最小1mA,共有1880個數(shù)值。938的捕獲/比較單元內部是16位的定時器,輸出至PWM2的占空比有65536種狀態(tài),滿足要求。


由于938單片機的A/D采樣電壓不能超過3V,而調整管的發(fā)射級輸出電壓最大為10V,集電級電壓穩(wěn)至13V,均超采樣的最大值,所以要進行分壓。R3、R4、R5、R6為分壓電阻,R4、R6可調,取R3=3.3KΩ,R4=1kΩ,R3=2.2kΩ,R3=1KΩ,可滿足要求。


R8為采樣電阻(采用電流表中的標準分流電阻,穩(wěn)定性好,精度高),其值取為0.1Ω,它將輸出電流以電壓的方式輸入到放大器A2的同相端。其中,R12為保護電阻,其上的電流可以忽略不計。放大器的輸出經(jīng)ADS1110A/D轉換器反饋到單片機,與給定進行比較,構成外部數(shù)字閉環(huán)控制。設A2的輸入電壓為U1,輸出電壓為U2,根據(jù)電流相等有:
(U2-U1)/R13=U1/(R14+R15) (8)
可得放大倍數(shù)為:
U2/U1=R13/(R14+R15)+1 (9)
U1最大為0.1Ω×2A=0.2V,U2最大為3V,所以放大器A2的放大倍數(shù)設置為15較為合理。據(jù)此可取R13為10kΩ,R14為0.5kΩ,可變電阻R15取為1kΩ,其放大倍數(shù)范圍為6.720,滿足要求。


內環(huán)模擬調節(jié)由調整管Q3、Q4、差動放大器A1(輸入阻抗高,具有較高的共模抑制比)及輔助元件構成,采樣電壓通過放大器A2輸入到差動放大器的反向端,PWM2輸出電壓濾波后到差動放大器的同向端,當輸出電流低于設定值時,差動放大器輸出為正,調整管導通,輸出電流增大,直到與設定值相等。


D7、D8、D9、Q5組成過流保護電路,若輸出電流由于干擾偏離給定值太大時,差動放大器輸出電壓便很大。當其超過 0020一定值時,Q5便導通,切斷調整管的基極電流,關閉輸出,起到了過流保護的作用。


3 鍵盤及顯示模塊
鍵盤與顯示模塊的工作原理如下:單片機通過DIN端口,將需要顯示數(shù)據(jù)的端碼和位碼信息在SCLK脈沖的控制下分別移入到兩片74HC164和595中,段碼在164中,位碼在595中,之后通過RCLK脈沖送出位碼信息完成數(shù)據(jù)顯示。ReadKey端口是鍵盤檢測口。在該部分的軟件先取數(shù)據(jù)輸出顯示,顯示后緊接著查詢ReadKey端口(對應位碼)是否為低電平,如果為低電平則記錄送出的位碼信息。之后,進行第二次循環(huán),顯示數(shù)據(jù)并查詢ReadKey端口,當ReadKey端口為高電平或是在ReadKey端口為低電平時記錄的位碼信息與上次不相同時放棄鍵處理;當兩次讀ReadKey端口為低電平記錄下的位碼信息相同時進行相應的鍵處理操作。

圖3 主程序流程圖

主程序
在系統(tǒng)加電后,主程序首先完成系統(tǒng)初始化,包括ADS1110、I2C口、SPI口、中斷、定時/計數(shù)器、CCU中與PWM輸出相關的寄存器等工作狀態(tài)的設定,給系統(tǒng)變量賦初值,顯示上次預置值等;然后掃描獲取鍵值,執(zhí)行相應的功能子程序。當啟動鍵按下后,根據(jù)預置值、步長等參數(shù)計算對應輸出的數(shù)字量,再進行閉環(huán)反饋調整。


測試數(shù)據(jù)與結果分析
1測試器材
DF1930數(shù)字毫伏表、Thurlby1905a型數(shù)字表(四位半電壓表)、100M雙蹤數(shù)字存儲示波器TDS2012、穩(wěn)壓電源LPS-305(030V/3A)、六位半數(shù)字多用表HP34401A、電阻箱(0.55Ω、550Ω、50500Ω)。


2測試方法、數(shù)據(jù)與結果分析
設定輸出電流2000mA,負載電阻由0.55Ω變化時,電流源負載特性數(shù)據(jù)及紋波計算如表1。
由表1可知,最大偏差ΔImax=2.8mA,紋波電流的平均值為0.129mA,最大值為0.191mA,滿足、低紋波的要求。
  
結語
的創(chuàng)新之處是綜合考慮了精度、紋波、功耗、復雜度等方面的要求,較好的完成了一個高精度電流源的設計制作與調試,達到了較高的技術指標。但是,看似簡單的電源,也有很多值得仔細研究的地方,比如電路的穩(wěn)定性(如何克服閉環(huán)振蕩,包括寄生振蕩),精度的提高,紋波的減少,動態(tài)響應的品質及造成測量誤差的諸方面,這些都值得我們更進一步地研究與學習。

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