一種基于數(shù)字控制的直流電流源技術(shù)研究

直流電流源是電子技術(shù)常用的設備，廣泛應用于教學和科研等領域。然而傳統(tǒng)的模擬控制直流電流源功能簡單、精度低、體積大及讀數(shù)不方便，在對工作電流穩(wěn)定度、紋波電流大小等要求較高的領域(如電鍍、精密加工及激光器等)受到了限制。本文設計的基于單片機AT89S52的數(shù)控直流電流源很好地解決了以上模擬控制直流電流源的不足，它能輸出穩(wěn)定直流電流，并且可用數(shù)控方式調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電流。

直流電流源由恒流源、供電電源、數(shù)控系統(tǒng)三個部分組成。論文闡明了軟硬件設計依據(jù)，給出了系統(tǒng)功能和性能測試結(jié)果。

1 數(shù)字控制直流電源系統(tǒng)

本文設計了基于AT89S52數(shù)控直流電流源，由恒流源、供電系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)三個部分組成，其數(shù)控直流電流源系統(tǒng)框圖如圖1所示。恒流源主調(diào)整器采用了LM350、超低噪聲運算放大器AD797和OP07及高性能錳銅采樣電阻等器件構(gòu)成負反饋電路，實現(xiàn)了對電流的精確控制。供電電源采用LM350、LM337、LM7805作為主穩(wěn)壓器，為整機提供了穩(wěn)定的直流供電；控制系統(tǒng)以89S52單片機為核心，高精度12位A/D芯片AD1674實現(xiàn)采樣輸入；12位D/A芯片DAC1230產(chǎn)生控制輸出，實現(xiàn)了輸出電流的精確設定和檢測，系統(tǒng)還設置了串口通信功能。

1.1 恒流源變換電路設計

常見的恒流源電路方案有[1]：脈沖調(diào)寬式和線性負反饋方式。其中脈沖調(diào)寬式恒流源電路目前應用于空間技術(shù)、計算機、通信以及家用電器中。開關電源的調(diào)整器應用成本工作在開關狀態(tài)，功率損耗小、效率高，可達70%～90%，應用成本比較經(jīng)濟，但是紋波電流大、輻射干擾強、恒流精度低、設計困難。線性負反饋恒流源電路具有失真小、穩(wěn)定度高、紋波小等特點，主要應用于高精度場合，由于其設計簡單，被廣泛采用。

線性負反饋恒流源的設計方法有分立元件和集成電器兩種形式[2]，其中分立元件穩(wěn)流電路有二極管、三極管和電子管穩(wěn)流等形式，此種恒流電路的器件選擇需要根據(jù)輸入輸出的電壓、電流和負載來確定，電路調(diào)試復雜。而集成電路恒流源可直接由三端穩(wěn)壓器或運放構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定。

1.2 數(shù)控電路設計

數(shù)控電路組成包括單片機最小系統(tǒng)、A/D采樣輸入電路和D/A控制輸出電路。其中數(shù)控直流電流源的控制電路采用單片機最小系統(tǒng)對電路各部分進行控制。最小系統(tǒng)由MCU、采樣輸入、控制輸出、串口通信電路及復位電路、鍵盤、顯示電路組成，單片機最小系統(tǒng)電路如圖2所示。MCU選用ATMEL公司的AT89S52單片機[3]：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS工藝的8位單片機，與標準MCS-51的引腳和指令完全兼容。其外接晶振頻率范圍為0 Hz～33 MHz，內(nèi)置256 B片內(nèi)RAM，3個16位定時器/記數(shù)器，片內(nèi)看門狗。其性能好于常用的89C52系列單片機。

時鐘設計要求微處理器采樣周期設置為0.5 s，并且實測值和設定值間隔顯示變換周期約2 s，采用12 MHz晶振，可滿足系統(tǒng)設計要求。數(shù)控直流電流源具有鍵盤顯示功能。采用自制鍵盤對電流進行設定，采用兩個四位數(shù)碼管交替顯示實測值和設定值，高位顯示標志位，第2位~第5位顯示整數(shù)值單位mA，最低位顯示小數(shù)位，采用UC7291芯片電路作為顯示控制和驅(qū)動端，其優(yōu)點是顯示位數(shù)多、節(jié)約I/O端口、使用方便、價格合理。串口通信電路可以方便地與計算機連接，選用MAX232芯片進行計算機遠程在線調(diào)節(jié)電流大小、讀數(shù)、鍵盤鎖定、解除鎖定等功能控制。

A/D采樣輸入電路如圖3所示，為了滿足取樣精度需要，選擇12位A/D轉(zhuǎn)換器和12位D/A轉(zhuǎn)換器，使步進小于1 mA。在電路中A/D啟動后，先讀高8位結(jié)果，再讀低4位；D/A則先寫入高8位，再寫入低4位。

D/A控制輸出電路如圖4所示，該單片機的輸入信號為經(jīng)過12位A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量，送入單片機處理后產(chǎn)生輸出數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入恒流源，因而這種數(shù)控恒流源的精度最終取決于電路中A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。設計中采用12位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，精度可達0.5 mA。

1.3 系統(tǒng)控制算法軟件實現(xiàn)

單片機數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)較模擬控制更為高級、復雜的策略，與模擬控制電路相比較，數(shù)字控制電路擁有更多的優(yōu)點：由數(shù)字PID代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬PID，數(shù)字PID系統(tǒng)相對于模擬PID系統(tǒng)具有設計周期短、靈活多變、易于實現(xiàn)模塊化管理，能夠消除因離散元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等[4]。數(shù)字控制系統(tǒng)主程序如圖5所示，主程序的主要工作是進行初始化、掃描鍵盤，并響應鍵盤和設定電流值。

電路中A/D采樣周期為130 ms，當定時器T0中斷后進行一次采樣，單片機處理后，輸出D/A進行調(diào)節(jié)并顯示。A/D中斷(INTO)，中斷的功能有：讀采樣數(shù)據(jù)、與設定值比較、控制調(diào)整電壓和傳送顯示。設電壓變化為Δ，當前電壓為Vn，則新的值為Vn+1=Δ×M。M為常數(shù)，可根據(jù)實際電路參數(shù)要求設定，而且在程序進行中要考慮到D/A為12位，電壓有上、下限。在顯示時考慮可視性，測量值和設定值交替顯示。定時器中斷程序流程圖如圖6所示。

2 實驗結(jié)果及分析

設計指標[5]：輸入電壓180 V～250 V/50 Hz；輸出電流范圍20 mA～2 000 mA；具有“+”、“-”步進調(diào)整功能，步進≤10 mA；輸出電流絕對值輸出電流值的1%，紋波電流2 mA。

在給定電流200 mA作用下，負載穩(wěn)定度曲線圖如圖7所示，其中負載穩(wěn)定度是指一定的工作情況下，負載變化引起的輸出電流變化。測試數(shù)據(jù)表明負載電壓在0～10 V變化時，輸出電流最大偏差為2 mA，滿足輸出電流絕對值小于輸出電流值的1%的設計要求。

紋波電流特性如圖8所示，取負載電阻RL=10 Ω，紋波電流=紋波電壓/負載，從測試結(jié)果可以看出負載電流變化引起的紋流變化范圍2 mA，其原因是因為所設計的電源輸入和輸出進行了穩(wěn)壓處理以及進行了高頻濾波，因此紋波特性較為理想，達到了設計指標的要求。

本文設計了基于單片機數(shù)字控制的直流電流源，優(yōu)點為：(1)采用數(shù)字化處理和控制，可避免模擬信號傳遞的畸變、失真，減少雜散信號的干擾；(2)該數(shù)字控制電路相對于模擬控制電路具有設定準確、輸出電流恒定、可調(diào)范圍寬等優(yōu)點。數(shù)字控制直流電流源隨著控制策略不斷完善，將成為直流源電源發(fā)展的一個熱點。

參考文獻：

[1] 何希才.新型穩(wěn)壓電源及其應用[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[2] 鄭瓊林，耿文學.電力電子電路精選—常用元器件·實用電路·設計實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，1996.

[3] 孫涵.MCS-51/96系列單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[4] 劉華毅，李霞，徐景德.基于單片機的寬范圍連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源[J]，電力電子技術(shù)，2001，35(6)：7-9.

[5] 曲學基.穩(wěn)定電源電路設計手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.