基于AT89C52的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)

恒流源是電子儀器和設(shè)備中常用的一種電源。一般的恒流源往往存在調(diào)節(jié)范圍小、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。

　　本文設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電流源能夠很好地降低因元器件老化、溫漂等原因造成的輸出誤差，輸出電流在20—2000mA（可調(diào)）、輸出電流可預(yù)置、輸出電流信號(hào)可直接顯示等功能。硬件電路采用單片機(jī)為控制核心，利用閉環(huán)控制原理，電路組成閉環(huán)負(fù)反饋進(jìn)行穩(wěn)流，最終實(shí)現(xiàn)精度高、穩(wěn)定性好、輸出范圍寬的要求。

　　1 系統(tǒng)組成和原理

　　1.1 系統(tǒng)的組成

　　本電流源系統(tǒng)可分為穩(wěn)壓電源電路、單片機(jī)控制部分、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、恒流源電路、人機(jī)界面（包括鍵盤輸入與LED顯示）等幾部分，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　1.2 系統(tǒng)的工作原理

　　系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)通過穩(wěn)壓電源向恒流源提供24V電壓，向單片機(jī)AT89C52、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器提供5V電壓，通過鍵盤對(duì)電流值進(jìn)行預(yù)置，利用單片機(jī)將電流步進(jìn)值或電流設(shè)定值換算后輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)恒流源輸出電流信號(hào)，實(shí)際輸出的電流再利用精密電阻采樣變成電壓信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將信號(hào)反饋到單片機(jī)中，單片機(jī)將輸出反饋信號(hào)再與預(yù)置值比較，送出調(diào)整信號(hào)，再輸出新的電流，這樣就形成系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而提高了輸出電流的精度。顯示電路用于顯示電流設(shè)定值和當(dāng)前電流測(cè)量值。

　　2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　在本設(shè)計(jì)中，控制芯片主要完成與A/D、D/A的數(shù)據(jù)通信及對(duì)其數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)給定量的設(shè)定和對(duì)輸出量的采樣與顯示。同時(shí)還檢測(cè)各種故障信息，及時(shí)地發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。此外，由于系統(tǒng)屬于強(qiáng)的EMI源，對(duì)主控制器芯片的抗干擾性能和故障處理能力有較高的要求，所以，控制芯片采用AT89C52單片機(jī)。

　　2.2 穩(wěn)壓電源

　　穩(wěn)壓電源采用三端穩(wěn)壓器7805、7824構(gòu)成。由于78系列穩(wěn)壓器最大輸出電流為1.5A，而系統(tǒng)輸出最大電流為2000mA，為此，需外加功率管擴(kuò)流。

　　2.3 A/D、D/A的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)要求輸出的電流信號(hào)為20—2000mA，步進(jìn)為1mA，且要求顯示數(shù)值，因此，給定量的執(zhí)行元件一D/A轉(zhuǎn)換器與檢測(cè)元件一A/D轉(zhuǎn)換器至少需要11位的轉(zhuǎn)換精度。結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并考慮到單片機(jī)的I/O接口資源緊張等因素，最終確定選用串行數(shù)據(jù)傳送方式的ADS7841和DAC7512兩款芯片（轉(zhuǎn)換精度均為12位的集成芯片），其量化精度能達(dá)到1/40961/2000，完全能達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求。

　　ADS7841芯片用于將電流檢測(cè)電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，回送給單片機(jī)，由單片機(jī)將該反饋信號(hào)與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號(hào)大小，由此構(gòu)成反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。

　　同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器采樣回來的電流經(jīng)過單片機(jī)處理后傳送到LED，用以顯示當(dāng)前的實(shí)際電流值。D/A轉(zhuǎn)換器將設(shè)定的電流值轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并提供給壓控恒流源，控制恒流源的輸出大小。

　　ADS7841中，在電源輸入端并聯(lián)一個(gè)0.1IzF的電容去耦，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)101_LF的電解電容來提高供電的穩(wěn)定性。根據(jù)其技術(shù)資料，將引腳端1和端2短接就能實(shí)現(xiàn)5V的基準(zhǔn)源輸出，并在引腳端6和7之間接一個(gè)0.1仙F的電容，能有效地提高抗干擾性能。

　　2.4 恒流源電路

　　恒流源模塊電路的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心，它是用電壓來控制電流的變化。為了能產(chǎn)生恒定的電流，我們采用電壓閉環(huán)反饋控制。恒流源電路原理圖如圖2所示，該電路由運(yùn)算放大器、大功率達(dá)林頓管、采樣電阻Rs、負(fù)載電阻RL等組成。取樣電阻RS從輸出端進(jìn)行取樣，再與基準(zhǔn)電壓比較，并將誤差電壓放大后反饋到調(diào)整管，使輸出電壓在電網(wǎng)電壓變動(dòng)的情況下仍能保持穩(wěn)定。電路中調(diào)整管采用大功率達(dá)林頓管TIPl27，既能滿足輸出電流最大達(dá)到2A的要求，也能較好地實(shí)現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。Rs選用熱穩(wěn)定性好的康銅絲，并選取較大的阻值（2Q），使得在電流較低時(shí)也能獲得較大的電壓值。運(yùn)算放大器采用高精度的OP一27作為電壓跟隨器。當(dāng)Ui一定時(shí)，運(yùn)算放大器的Ui=Uf，Io=Is=U1/Rs，達(dá)林頓管的，Ic≈Ie。（基極電流相對(duì)很小，可忽略不計(jì)），所以Io=Is=Ui/Rs……正因?yàn)镮0=Ui/Rs，電路輸入電壓配Ui控制電流Io，即I0不隨RL的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)壓控恒流。

　　2.5 電流采樣電路

　　輸出電流采樣電路測(cè)量Rs兩端的電壓差，根據(jù)，I=U/R換算得到電流值。電路原理圖如圖3所示。通過對(duì)電阻Rs兩端的電壓值進(jìn)行采樣，經(jīng)過運(yùn)算放大器送入A/D轉(zhuǎn)換器ADS7841進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)锳1、A2為電壓跟隨器，輸入電阻高，所以采樣端V1、V2幾乎不分流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的精確采樣。因?yàn)椴蓸与娮鑂s兩端有較高的電壓，所以，差分電路中的運(yùn)放器采用雙電源供電。因?yàn)殡娏鬏敵龅姆秶^寬，所以放大倍數(shù)不能太大。Rs=2Ω，測(cè)量的電流范圍為0—2000mA。

　　Rs兩端的電壓在0—4V的范圍內(nèi)變化。將該電平輸入到ADC輸入，因（V1一V2）和A/D的數(shù)字采樣之間具有線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，故通過單片機(jī)就可以測(cè)量出（V1-V2）的電壓值，從而計(jì)算出恒流源的輸出電流。