数控恒流源设计

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数控恒流源设计

摘 要

本系统以直流电流源为核心，AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由液晶显示实际输出电流值和电流设定值。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（TLV5618）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大(TL082)，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片MAX187，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理， 通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控恒流源。

关键词

D/A,A/D转换；闭环控制；压控恒流源。

1 前言

随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切．当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才起步有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间，本文正是应社会发展的要求，研制出一种高性能的数控直流恒流源。本数控直流恒流源系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差小，输出电流可在1mA-2000mA范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。

2设计任务

2.1  基本部分

（1）输出电流范围：200mA～2000mA；

（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10 mA；

（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；

（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+ 10mA

（5）纹波电流≤2mA；

（6）自制电源。

2.2  发挥部分

（1）输出电流范围为20mA～2000mA，步进1mA；

（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值≤测量值的0.1％+3个字；

（3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1％+1 mA；

（4）其他。

3  总体方案设计

恒流源系统方框图如图3.1所示。它由控制器、电流源、电流测量装置、自制稳压电源等。

图3.1  数控恒流源系统方框图

3.1  方案论证与比较

3.1.1  控制部分

对于一般控制方面的问题大体可以采用如下三种方案来实现：

方案一：采用中小规模集成电路构成的控制器。

方案二：采用以单片机为核心的单片机最小系统构成控制器。

方案三：采用可编程逻辑器件（如FPGA/CPLD）构成的控制器。

因方案一外围元器件多，容易出故障，方案三价格较贵，而方案二外围元器件不算多，而且具有价格便宜，容易掌握，可靠性高等优点，故本系统采用方案二，即采用AT89S52为核心的控制器。

3.1.2  恒流源部分

方案一：由三端可调式集成稳压器构成的恒流源

以LM338为例，其最大输出电流为5A，输出电压Uo1为1.2～33V。

其典型恒流源电路如图3.2所示。

图3.2 由LM338构成的恒流源电路

    当可调稳压器LM338调节在输出电压Uo1=1.2V时，若R固定不变，则Ih不变。因此可获得恒流输出。例如，R=6π则Ih=Uo1/R=1.2/0.6=2A。若改变R的值，可使输出电流Ih改变。例如，R=6π时，则Ih=200mA，可满足要求（输出电流范围200～2000mA）。若R由60π变到0.6π，则Ih为2～2000mA，则满足发挥部分的要求。假设R改为数控电位器，则输出电流可以以某一个步长进行改变。

    此方案优点：结构简单，外围元器件少，调试方便，价格便宜。

    缺点：精密的大功率的数控电位器难购买。

    方案二：由数控稳压器构成的恒流源

    其原理方框图如图3.3所示。

    此方案优点：原理清楚，如果知识，器件有储备，方案容易实现。

    缺点：由图3.3可知，数控稳压源的地是浮地的，与系统不共地线。对系统而言，地线处理不方便。

图3.3 由数控稳压器构成的恒流源方框图

方案三：采用电流串联负反馈机理构成恒流源

采用电流串联负反馈机理构成的恒流源电路方框图如图3.4所示。它由D/A（内带精密基准电压源），低噪音误差放大器A，调整管，负载电阻RL，取样电阻RF等组成。来自CPU电流控制字数据加至D/A转换器，转换成电压信号加在运放A的同相端，由取样电阻引入电流Io成正比的反馈电压UF加在误差信号放大器A的反相端。由TL082，Q1,Q2，RL，RF构成典型的电流串联负反馈。

图3.4 方案三：原理图

因 (3.1)

而 (3.2)

根据理想运放“虚短”原理，则 （3.3）

于是 （3.4）

由式（3.4）可知，当K，RF，UREF确定后，输出电流Io与来自CPU的电流控制字的数值成正比。

    方案三优点：原理清楚，对单片机及其外围器件比较熟悉，元器件资料丰富，实现此方案就变得容易。

综合考虑，系统选取方案三。

3.1.3  电流测量与显示部分

    要测量输出电流Io，一边用数字电流表串联在输出回路中，直接读出Io的值。要自制一个测量输出的电流装置，可以将输出电流转换成取样电压信号，然后经过直流电压放大，A/D转换，然后交给AT89S52处理，最后将测量数值由液晶显示。其原理框图如图3.5所示。

图3.5  电流测量与显示原理框图

4  单元模块设计

4.1  各单元模块功能介绍及电路设计

4.1.1  电源模块设计

因三端稳压器具有结构简单，外围元器件少，性能优良，调试方便等显著优点，供电部分采用三端稳压电路，如图4.1所示。为了取得较好的滤波效果使用了大小电容并联滤波，最大程度的减小纹波电流， 为后级恒流电路进行稳压还可以减小恒流输出所受电压变化的干扰。由于题目要求 “最大18V的电压输出，2A的电流输出” 当负载比较小时其功耗是比较大的，如果能使用开关电源的话则可以大大的降低功耗，节约电能，但是也有可能带来比较大的纹波电压干扰。

图4.1 供电部分原理图

实际中采用了LM7815和LM7915为运放供电（运放最大输出电压至少为12.1=10+0.7*3，使用15V电压供电是运放最高输出电压为(15-1.5=13.5V）；单片机 ，DA以及AD芯片电源电压均为5V 使用一片LM7805为其供电。而恒流源电路所需电压比较大 电流最大为2A 故使用了大功率的LM338为其供电。其电路图如图4.2所示。

输出电压 U=1.25*（1+R2/R1） U为18V可得R2/R1=13.5,若R3为240π则R2为3.24K，可用电位器调到该电阻.实测值为17.5V。

4.1.2  恒流源模块原理

原理如图4.3所示 在这一部分电路中DA将单片机送来的控制字转换成电压，控制晶体管的输出电流。由数模转换器tlv5618，误差放大器TL082驱动管，调整管TIP122,精密电压源等组成。

图4.3 恒流源电路图

基本原理： 当DA输出一个电压时 差动工作状态的运放将反馈电压

与它进行比较，若电压D/A的VOUT大于REF 则差动放大器将输出一个很大的电压驱动8050输出较大的电流再来驱动调整管TIP122提高输出电流。直到使电压REF与DA的输出电压相等（不考虑失调电压）。若电压DA小于REF则调整管将减小电流输出直到两者相等为止。 电路中取样电阻0.5欧姆电流步进1mA则DA电压步进最小为0.5*1=0.5（mV），为达到此要求DA至少为12位，而且误差要小于1个LSB。在此电路中取样电阻的阻值必须非常精确，否则在获取大电流时将产生很大的误差。

数学表达式为：

;采用电阻 RREF为0.5欧姆        （4.1）

                                              （4.2）

(N为0到4096的整数)            （4.3）

由以上三式可得：I=N(mA) 即输出电流只与DA的输出电压成比例与负载无关 从而达到恒流的目的。

4.1.3  测量及显示模块原理

为了实时的精确的反应输出的电流值，电路中使用了12位的AD转换芯片MAX187对电流值进行测量。主要芯片有运放0P07 ，AD转换芯片。为了提高精度还对信号做了放大处理。AD 基准电压源为4.096V。由于反馈电压REF最大值为1V，为了最大的提高精度，对信号放大了2倍，使电流输出为2A时，AD输出十六进制0XFFF，电流为0时输出0X000.如图4.4所示。

4.1.4 过流保护电路

        当电流等于2A时，采样电阻的电压为1v,调整Q2的发射极使电压约大于0.3V左右，当电流超过2A时，Q2导通，Q2的集电极输出低电平触发单片机外部中断0，关闭DA转换，同时报警，保护电路。

4.1.5  控制单元模块

控制器的核心器件为AT89S52单片机，在其周围集成了单片机最小系统。用来完成键盘控制，液晶显示，DA ,AD控制以及数据处理等。系统包括了键盘和液晶，时钟电路，复位电路及IO引出端口。键盘用来置数，液晶用来显示预设电流值与实测电流。原理如图4.5所示。

4.2  特殊元器件选择与介绍

4.2.1  采样电阻的选择

采样电阻的选择在本设计中十分重要，要求温度系数小，噪声低，所以使用了高精度低温度系数的采样电阻。由于大电流时电阻功率较高，也可以使用散热片进行降温，避免温度过高使采样电阻阻值发生变化。如果采样电阻取大一点，可提高稳定度，但是也会带来更大的功率损耗和温漂，折中考虑以上两点，取样电阻取0.5欧姆。

4.2.2  调整管的选择

由于电流全部流过调整管，因此调整管上的功耗将会很大，故选用了大功率的TIP22作为调整管最大输出电流为5A，其内部为达林顿管连接形式，还可以减小外部的驱动电流。

4.2.3  误差电压放大器

电流的稳定度与放大器有直接的关系，若要稳定度大于10-4 则放大 倍数要大于10000倍，现在一般的运放都都能达到这个要求。在设计中使用了TL082作为误差放大器，具有3mV的失调电压，2nA的失调电流，100V/mV（RL>2K）的高增益。在实际测试中长时间使用也不发热，温漂较小。

4.2.4  数模转换器的选择

有前面分析可知数模转换器输出电压直接影响到输出电流的大小，设计中选择了MAX531作为数模转换芯片，其内部自带2.048V的基准电压源，减小了系统的复杂性和成本。差分线性误差<±1LSB，电源4.5-5.5V与单片机的兼容。

4.2.5  模数转换器的选择

MAX187串行12 位模数转换器可以在单5V 电源下工作，接受0－5V 的模拟输入。MAX187 逐次逼近式ADC，快速采样/保持（1.5uS），片内时钟，高速3 线串行接口。MAX187转换速度为75Ksps。通过一个外部时钟从内部读取数据，并可省却外部硬件而与绝大多数的数字信号处理器或微控制器通讯。接口与SPI，QSPI，和Microwire兼容。MAX187 有内部基准，电源消耗为7.5mW，在关断模式下可以减少至10uW。优异的AC 特性和极低的电源消耗，同时及其容易的使用和较小的封装尺寸使得MAX187能理想的应用于远程DSP 和传感器，或者应用于对电源消耗和空间极为苛刻的地方。