一种高精度电流源的设计

曾祥幼 蒋炜 陈方亮 黎波

（中国船舶重工集团公司712研究所，武汉 430064）

1 引言

恒流源是模拟电路中的重要组成部分，它可以用作驱动、控制或偏置电路。传统恒流源电路是通过调整偏置电阻大小来改变恒流源特性的，虽然手动可以改变偏置电阻的大小，但这种方式在一些要求非线性、高精度、快速反应的场合难以实现精确控制，而且不能在功耗和性能之间取得平衡。此外，传统恒流源容易受到温度、电源电压等因素的影响，导致精度不高，线性度不好。本文介绍的是用C8051F040控制的恒流源，它具有外部电路简单、性能可靠等优点，可以实现自动调整，并在高精度方面有广阔的应用前景。

2 系统结构

系统主要由C8051F040单片机、键盘与显示电路、A/D及D/A信号调理电路、压控恒流源等几个模块单元组成。输入为50 Hz交流200～240 V，实现输出为0～10 A可调，高精度的恒定直流电，并能够通过LCD显示。系统方框图如图1所示。

图1 系统方框图

2.1 C8051F040单片机

采用Silicon公司的C8051F040单片机，该芯片具有8通道12位A/D转换器，两路12位D/A转换器，8个8位宽端口I/O，具有4 K的RAM和64 K的FLASH，两个通用同步/异步串行通讯接口（UART0和UART1），I2C串行总线接口和CAN总线接口，采用精简指令集（RISE）结构，执行命令高达8MIPS的速度[1]。

2.2 A/D、D/A转换

A/D、D/A转换均采用片内12位高速ADC和DAC，为提高输出精度，基准电压采用外接高精密基准电压芯片ADR421，2.5 V输出,公差0.04%，温度漂移系数为±3 ppm/℃。使A/D和D/A转换的输出可达很高的精度。

采样电阻把流过负载的电流值转换为自身的电压，经AD采样后给单片机处理，并在显示电路中显示。输入电流经D/A转换后作为电路输入给定。

2.3 恒流源

压控恒流源是系统的重要组成部分[2]。它是用电压来控制电流的变化，电路原理图如图2所示。

采用高精度运放OP07，它的输入信号有1个，为单片机片内数模转换器DAC的输出电压Vin。给定值Vin与反馈电压Vref经运放U1进行比较，输出误差△U后，误差△U经PI调节器U2调节后控制三极管Q1基极电流，从而控制了Q1的开通程度，再通过Q1来调节MOS管Q2的栅极电压，从而调节Q2的开通程度，以调节输出电流近似等于输入给定值。若Vin＞Vref，则U1输出正值，经PI调节器后，Q1的基极电流增大，使得Q1开通加大，从而驱动MOS管Q2开通加大，导致输出电流增大；若Vin＞Vref，则U1输出负值，经PI调节器后，Q1的基极电流减小，使得Q1开通减小，从而驱动MOS管Q2开通减小，导致输出电流减小。这种闭环调节速度快，实现了电路中电流的恒定不变。

在选元器件方面，Q2选用大功率MOS管IFR540N，且使用散热片，保证其工作在线性区时，实际输出的恒定电流仅仅由D/A输出的电压Vin决定[3]。采样电阻R5选用RS公司的MSR-5W-025R的精密电阻。

图2 恒流源电路原理图

3 软件设计

系统软件按模块化的方式，采用C语言编写。系统软件主要完成输入给定、电流调整、软件保护等功能。包括主程序、校准子程序和显示、PID调节、LCD通信显示等其他子程序[1]。

在系统加电后，主程序首先完成系统初始化，包括A/D、D/A、RS232串口、中断、定时/计数器等工作状态的设定，给系统变量赋初值，显示上次设定值等。然后扫描键盘值，执行相应的功能子程序，输入恒流源电流。当启动键按下后，根据设定值参数计算对应输出的数字量，通过D/A给到电路输入端口中，再每隔1秒AD采样一次，将采样结果通过RS232传给LCD屏显示，如图3所示。

图3 主程序流程图

4 综合测试

负载串接0.01 Ω的测量电阻，用4位半的万用表读取测量电阻电压，并计算出实际电路电流值的方式，对该设计电路进行电流综合测试，结果如表1所示。

表1

由表1得到，实际值与给定值偏差最大不超过10 mA，实现了不超过最大电流10 A的0.1%的精度。

5 结束语

本系统在电流小于50 mA时相对误差比较大。其原因是采样电阻的阻值较小，导致测量分辨率不高。可以采用切换量程的方法，在输出小电流时采用阻值大的采样电阻，则可提高采样电压，从而提高分辨率，减小相对误差。另外，需要选择热稳定性好，精度高的电阻作为采样电阻，保证输出电流的稳定性。

总之，本设计硬件采用了PID闭环反馈调节的方法，使输出电流稳定，实现恒流源功能，构造出了一种高精度的直流电流源，非常适合一般教学和科研使用。

[1]童长飞. C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.1.

[2]陈坚. 电力电子学——电力电子变换和控制技术.北京： 高等教育出版社,2002,1月.

[3]康光华. 电子技术基础：模拟部分[M]. 北京：高等教育出版社，1999.6

[4]康光华. 电子技术基础：数字部分[M]. 北京：高等教育出版社，2000.7

[5]周志敏. 电磁兼容技术. 北京： 电子工业出版社,2007,9月.