基于Proteus的數(shù)控恒流源仿真系統(tǒng)設計

　　該系統(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。該恒流源以單片機為核心， 大功率場效應管IRF530 作為恒流器件， 采用10 位分辨率的A/ D 和D/ A 芯片， 輸出電流為20~ 2 000 mA， 最小分辨率2 mA， 可以同時實現(xiàn)本機按鍵控制和PC 遠程控制。仿真結果表明該設計方案可行， 且可以達到比較好的穩(wěn)定性和較高的精度。

　　0 引 言

　　在測試計量、半導體性能測試等許多工業(yè)和科學實驗領域都會用到恒流源， 研究并設計一款智能化的高精度恒流源具有十分廣泛的應用價值。但在一個電子產品研制過程中， 必須反復進行設計、試制和調試， 而實物試制和調試是一項費時和費力的工作， 往往是事倍功半， 導致系統(tǒng)開發(fā)周期長， 成本高。隨著大規(guī)模集成電路和計算機的迅速發(fā)展， 計算機仿真技術徹底改變了以往電子系統(tǒng)設計中完全依靠人工進行參數(shù)計算、電路實驗、實物試制和系統(tǒng)調試的傳統(tǒng)設計方法， 利用EDA 仿真軟件， 對已存在的系統(tǒng)或設想中的不同設計方案在計算機上進行仿真分析，同時與實物試制和調試相結合， 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計成本， 縮短了系統(tǒng)研制周期。Proteus 是一款功能強大的系統(tǒng)設計輔助類EDA仿真軟件， 采用該軟件對數(shù)控恒流源進行設計、分析、研究和實驗， 可以達到研制和開發(fā)實際電子產品的目的。

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

　　1 系統(tǒng)概述

　　單片機技術的普及使電子產品進入了智能化時代， 以單片機為核心的數(shù)控恒流源整體設計方案如圖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。設計輸出電流范圍20~ 2 000 mA， 步進2 mA.

　　圖1 數(shù)控恒流源系統(tǒng)結構

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

　　2 硬件設計

　　2. 1 數(shù)控部分設計

　　單片機、矩陣鍵盤和D/ A 轉換電路構成典型的數(shù)控單元電路， 采用10 位的串行D/A 轉換芯片TLC5615 進行數(shù)模轉換。

　　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用。本設計中需要用到14 個功能按鍵，包括0~ 9 共10 個數(shù)字鍵、“取消”、“確認”以及“步進加減”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)線和單片機接口。

　　在行線和列線的每個交叉點上設置一個按鍵， 這種行列式鍵盤結構能有效地提高單片機系統(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。

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

　　假設輸入電流值為m 時對應的數(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， 設滿量程2 000 mA 對應的最大數(shù)字量為1 000， 則有比例關系式（ 1）：

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

　　控制字1000 對應2 000 mA 電流， 取樣電阻為1 Ω 時即對應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系式可知：

　　求得D/ A 轉換器的基準電壓應取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絡， 把10 位數(shù)字數(shù)據(jù)轉換為模擬電壓， 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， 可以滿足設計要求。

　　為了提高測量的穩(wěn)定性和準確性， 采用專用的電壓基準芯片TL431 為T LC5615 提供基準電壓， 并在Proteus中進行仿真實驗。電路如圖2 所示， 在制作實際電路時，圖中的可調電阻采用精密多圈電位器。

　　圖2 電壓基準電路

　　2. 2 恒流電路的設計

　　恒流電路的主要作用是將數(shù)控部分送來的電壓轉換成恒定的電流輸出， 提供給負載。轉換電路由高精度集成運算放大器LM358、功率場效應管IRF530 和采樣電阻構成， 如圖3 所示。將數(shù)控部分的模擬輸出電壓Ui 作為LM358 的輸入量， 取樣電阻的電壓反饋到LM358 的反相輸入端， 該電路構成了典型的電流串聯(lián)負反饋， 根據(jù)反饋理論， 由于集成運放的開環(huán)增益很大， 所以該電路為深度負反饋， 即輸入電壓Ui與取樣電阻R 上的反饋電壓Uf 相等， 可由式（3） 得：

　　圖3 電流源電路。

　　即輸出電流IO 只取決于數(shù)控輸出電壓Ui 和取樣電阻R 的大小， 而與負載無關， 且負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的功能， 如能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓和精密的取樣電阻， 則可得到紋波很小的恒定電流。仿真結果表明該電路有很好的恒流效果。實際設計電路時， 為了達到更穩(wěn)定的輸出， 可在LM358 和IRF530 之間加入RC 濾波。

　　仿真實驗表明，LM358（ U2:A） 采用+ 5 V 電源供電時達不到要求的電流。為滿足設計要求， 可采用+ 12 V直流電源供電。此外，要達到2 000 mA 的輸出電流， 應采用大功率且溫度系數(shù)小的取樣電阻， 對于高精度的應用可采用康銅或錳銅絲作為取樣電阻， 如果精度要求不高， 也可采用水泥電阻。

　　由于集成運放不可能提供很高的電流， 因此設計中采用功率場效應管IRF530 進行擴流， IRF530 在散熱良好的條件下可以提供14 A 的電流， 導通電阻僅為0. 18Ω ， 滿足設計要求。同時需要大功率的電源為其供電， 根據(jù)設計的最大電流和負載值來確定電源參數(shù)。經仿真實驗， 若負載在0~ 10 Ω， 采用+ 24 V 電源可以滿足設計要求， 并有一定余量， 因此實際設計時可以采用+ 24 V/ 3 A 的直流穩(wěn)壓電源。由于IRF530 漏電流的存在， 最小輸出