基于Proteus的數(shù)控恒流源仿真研究

0 引 言

在測試計量、半導(dǎo)體性能測試等許多工業(yè)和科學(xué)實驗領(lǐng)域都會用到恒流源， 研究并設(shè)計一款智能化的高精度恒流源具有十分廣泛的應(yīng)用價值。但在一個電子產(chǎn)品研制過程中， 必須反復(fù)進(jìn)行設(shè)計、試制和調(diào)試， 而實物試制和調(diào)試是一項費時和費力的工作， 往往是事倍功半， 導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)周期長， 成本高。隨著大規(guī)模集成電路和計算機(jī)的迅速發(fā)展， 計算機(jī)仿真技術(shù)徹底改變了以往電子系統(tǒng)設(shè)計中完全依靠人工進(jìn)行參數(shù)計算、電路實驗、實物試制和系統(tǒng)調(diào)試的傳統(tǒng)設(shè)計方法， 利用EDA 仿真軟件， 對已存在的系統(tǒng)或設(shè)想中的不同設(shè)計方案在計算機(jī)上進(jìn)行仿真分析，同時與實物試制和調(diào)試相結(jié)合， 從而優(yōu)化元件參數(shù)， 提高系統(tǒng)性能， 最大限度地降低了設(shè)計成本， 縮短了系統(tǒng)研制周期。Proteus 是一款功能強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計輔助類EDA仿真軟件， 采用該軟件對數(shù)控恒流源進(jìn)行設(shè)計、分析、研究和實驗， 可以達(dá)到研制和開發(fā)實際電子產(chǎn)品的目的。

本文研究采用Proteus 仿真軟件， 利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)控恒流源開發(fā)的方法。

1 系統(tǒng)概述

單片機(jī)技術(shù)的普及使電子產(chǎn)品進(jìn)入了智能化時代， 以單片機(jī)為核心的數(shù)控恒流源整體設(shè)計方案如圖1.本系統(tǒng)主要包括矩陣鍵盤輸入模塊、數(shù)控模塊、恒流電路模塊、電流采樣模塊、串口通信模塊、PC 監(jiān)控界面。設(shè)計輸出電流范圍20~ 2 000 mA, 步進(jìn)2 mA.

圖1 數(shù)控恒流源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用矩陣鍵盤作為人機(jī)接口， 從鍵盤輸入設(shè)定電流， 單片機(jī)讀取設(shè)定值， 顯示在LCD 上， 進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后， 將控制信號送給D/ A, 輸出相應(yīng)的電壓值， 再通過V/ I 轉(zhuǎn)換將該電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電流提供給負(fù)載，取樣電路將實際輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓通過A/ D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理顯示在LCD 上， LCD 上同時顯示設(shè)定電流值和采樣值， 以便進(jìn)行比較以及相應(yīng)的控制和調(diào)試。

2 硬件設(shè)計

2. 1 數(shù)控部分設(shè)計

單片機(jī)、矩陣鍵盤和D/ A 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成典型的數(shù)控單元電路， 采用10 位的串行D/A 轉(zhuǎn)換芯片TLC5615 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

獨立按鍵編程簡單， 但占用I/ O 口資源， 不適合在按鍵較多的場合應(yīng)用。本設(shè)計中需要用到14 個功能按鍵，包括0~ 9 共10 個數(shù)字鍵、取消、確認(rèn)以及步進(jìn)加減按鍵， 在這種情況下如果用獨立按鍵顯然太浪費I/ O口資源， 為此我們引入了矩陣鍵盤。用四條I/ O 線作為行線， 4 條I/ O 線作為列線， 共8 根數(shù)據(jù)線和單片機(jī)接口。

在行線和列線的每個交叉點上設(shè)置一個按鍵， 這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O 口的利用率。

下面以函數(shù)的形式給出了一個簡短而高效的鍵盤掃描程序。

從鍵盤輸入設(shè)定電流值， 并在LCD 的第一行顯示， 單位為mA, 按“確認(rèn)”鍵后， 單片機(jī)將輸入的數(shù)值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量送給D/ A 轉(zhuǎn)換芯片T LC5615。

假設(shè)輸入電流值為m 時對應(yīng)的數(shù)字量為x , 采用10位D/A 的最大控制字為1 023, 為計算方便， 設(shè)滿量程2 000 mA 對應(yīng)的最大數(shù)字量為1 000, 則有比例關(guān)系式( 1)：

根據(jù)上式可知送給T LC5615 的數(shù)字量控制字x 應(yīng)為0. 5 ×m, 且可達(dá)到的輸出最小步進(jìn)值為2 mA, 即電流控制字每變化1, 電流變化2 mA.如果要達(dá)到1 mA 的步進(jìn)值則需要采用12 位的D/A 芯片。

控制字1000 對應(yīng)2 000 mA 電流， 取樣電阻為1 Ω 時即對應(yīng)2 V 電壓輸出， 由于T LC5615 的最大輸出數(shù)字量為1023, 根據(jù)T LC5615 的控制字與輸出電壓關(guān)系式可知：

求得D/ A 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓應(yīng)取U REF= 1. 023 V.

T LC5615 使用固定增益為2 的運放緩沖的電阻串網(wǎng)絡(luò)， 把10 位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓， 其輸出電壓范圍為0 V至2×V REFV, 即最大輸出電壓為參考電壓的2 倍。

這里T LC5615 的參考電壓取1. 023 V , 滿量程輸出為2. 046 V, 采用1Ω的取樣電阻時， 最大輸出電流為2 046 mA, 可以滿足設(shè)計要求。