基于微控制器的數(shù)控DC電流源系統(tǒng)設計

本設計采用單片機作為主要控制部件，通過鍵盤預置輸出電流值并采用液晶模塊實時顯示。整個系統(tǒng)硬件部分由微控制器模塊、電壓-電流轉換模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、直流穩(wěn)壓電源模塊和語音提示模塊組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

　　圖1 數(shù)控DC電流源系統(tǒng)

　　微控制器是整個系統(tǒng)的核心，負責整個系統(tǒng)的運作。為了能夠做到硬件電路簡單，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，便于實現(xiàn)語音播報、鍵盤設置和信息實時顯示等功能的協(xié)調，通過多種方案論證后，選用凌陽十六位單片機SPCE061A。該單片機采用現(xiàn)代電子技術——片上系統(tǒng)SOC(system on a chip)技術設計而成，內部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-DRIVER等電路(與IC型號有關)。它采用精簡指令集(RISC)，指令周期均以CPU時鐘數(shù)為單位。另外，它還兼有DSP芯片功能，內置16位硬件乘法器和加法器，并配備有DSP擁有的特殊指令，大大加速了各種演算法的運行速度。同時可以在Windows環(huán)境下使用凌陽十六單片機應用開發(fā)工具，該工具支持標準C語言和凌陽單片機匯編語言，集匯編、編程、仿真等功能于一體，大大加快了軟件開發(fā)過程。凌陽單片機具有高速度、低價、可靠、實用、體積小、功耗低等特點，用該單片機作為控制器比較合適，在硬件電路簡單的前提下容易實現(xiàn)A/D、D/A轉換、語音提示、PID運算等功能。

　　顯示模塊主要實現(xiàn)的功能是顯示設置的電流輸出值和其他人機交互信息。本部分可以采用七段數(shù)碼LED顯示器，實現(xiàn)顯示數(shù)字、簡單字母和小數(shù)點等信息，但由于其顯示信息單一，人機交互不友好，在系統(tǒng)中采用字符型液晶顯示屏LCDSMC1602A模塊。該模塊具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無輻射危險，平面直角顯示及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)點。其方便用于顯示字母、數(shù)字、符號等信息，而且不需要擴展過多外圍電路，可由單片機直接進行控制輸出顯示。

　　電壓-電流轉換模塊由精密運放與3個晶體管組成的達林頓管電路構成。轉換電路利用晶體管平坦的輸出特性和深度負反饋電路使輸出電流穩(wěn)定。如圖2所示，此V/I轉換電路的帶負載能力強，電流輸出范圍達0～3A。輸出電流Io經(jīng)反饋電阻Rf得到一個反饋電壓Vf，Vf= V11-V12，通過R5、R6加到運算放大器的兩輸入端，設運放兩端的電為V1、V2，Vi由單片機DAC輸出。因為理想運放的輸入電流約等于零，且V1=V2，則有V12[1-R6/(R2+R6)]+ViR6/(R2+R6)=V11R1(R1+R6)。由于V12=V11-Vf，則V11R2/(R2+R6)+(ViR6-VfR2)/(R2+R6)=V11R1/(R1+R5)。令R1=R2=10kΩ，R5=R6=1kΩ,則有Vf=ViR6/R2=Vi/10。若暫不考慮反饋時，Io=Vi/(10Rf)。

　　圖2 V/I轉換電路圖

　　由此可見，輸出電流的標定由D/A轉換的輸出電壓Vi和Rf決定，為線性變換。Rf由大線徑康銅絲制作，其溫度系數(shù)很小(5×10-6/℃)，大線徑可以使其溫度影響減至最小。3個三極管應選用大功率管TIP122，且使用散熱片，以保證管子工作在線性區(qū)。

　　電壓-電流轉換模塊的組成還有另外一種方案，采用3個運放構成輸出電流可變的電流源，如圖3所示。輸出電流I=Vi/R1，為使R1兩端的電壓保持恒定，由差分放大器IC1b通過射隨器IC1c監(jiān)測R1兩端的電位，此電位經(jīng)IC1b的7腳加到比較器 ICa的反相輸入端與Vref比較。比較結果使比較器的輸出端變化，直到平衡為止，即Vr1=Vi。電路中的電容用于補償ICa的頻率，減少控制環(huán)路的延時。只要R1=R2=R3=R4=R5，此電路的性能較好。但此電路的帶負載能力不強，環(huán)路延時補償對電路的穩(wěn)定有較大影響。

　　圖3 三運放V/I轉換電路