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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(diào)，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(shù)——片上系統(tǒng)SOC(system on a chip)技術(shù)設計而成，內(nèi)部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-DRIVER等電路(與IC型號有關(guān))。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(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊由精密運放與3個晶體管組成的達林頓管電路構(gòu)成。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路圖

　　由此可見，輸出電流的標定由D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊的組成還有另外一種方案，采用3個運放構(gòu)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(jié)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(zhuǎn)換電路