基于STM32的高精度0～24 mA恒流源的设计

徐巧玉，赵传锋，2，王军委，冯 倩，李 鹏

(1．河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003；2．92292部队，山东青岛 266000；3．洛阳银杏科技有限公司，河南洛阳 471000)

0 引言

当今自动化仪器仪表设备的安装调试与维护，精密电阻的检测等，主要利用0～24 mA的标准电流作为信号源。同时，许多模拟传感器的电路和仪表也需要恒流源提供激励信号，由于传感器激励信号一般都在mA级，极小的电流偏差也将造成很大的影响，因此要求作为激励信号的恒流源具有较高的精度和稳定性。

目前市场上的恒流源主要基于VXI、PCI以及PXI等工业总线[3]，如Agilent公司的E1328A、国内航天测控公司的AMC4401A以及哈工大测控研究所研制的PCI恒流源，虽然所述恒流源在精度和稳定度方面均能达到指标要求，但成本较高、体积大、携带不方便。凌力尔特公司生产的基于A/D转换芯片的LT3092，体积小、电流输出范围较大，但精度不高。

针对高精度便携式恒流源的需求，提出了一种基于STM32的便携式恒流源的设计。该恒流源能够提供高精度的0～24 mA恒流，在0～24 mA范围内输出可调，并且该系统稳定性好、精度高、体积小便于携带。

1 系统方案设计

该系统主要由电源模块、STM32控制核心模快、V-I转换电路模块和TFT_LCD模块组成，系统的结构框图如图1所示。其中，电源模块主要完成系统所需供电电压的转换；STM32控制核心模块以STM32F103VCT6为系统的微处理器，主要负责控制AD5062转换芯片向V-I转换电路提供电压、控制TFT_LCD显示和系统电压监测；V-I转换电路模块应用运算放大器、复合管和精密电阻等完成电压电流的转换；TFT_LCD模块通过FSMC总线与STM32通信，是系统人机界面的重要组成部分。

图1 系统总体设计框图

通过TFT液晶的虚拟按键可设定输出电流大小，STM32根据液晶虚拟按键设定的输出值，通过SPI总线控制AD5062的输出电压，此电压作为V-I转换电路模块的输入电压，经过运算放大器、限流电阻、复合管和精密电阻后输出电流，达到恒流输出的目的。

由恒流源电流的产生过程可知，恒流源的误差主要来自以下几个方面：A/D芯片基准电压的精度和温漂带来的误差、运算放大器本身的噪声和电阻的阻值变化引起的误差。该电路设计从器件的选型到电路的PCB设计考虑，尽量减小随机误差带来的影响，保证恒流源的稳定性。

2 电路设计与实现

该系统主要包含4个模块，文中分别对各模块的电路进行设计。

2．1电源模块设计

系统采用USB供电和单节锂电池供电两种供电模式，可以根据使用需求进行选择，如图2所示。当USB断开，开关SW闭合时，MOS管Q1导通，则由电池供电电压VBAT为系统供电；当USB接通，开关SW接通时，MOS管Q1截止，由USB电压VCC_USB为系统供电。电源模块包含有电池充电电路，当采用USB供电时，系统自动切换到给电池充电。

图2 供电选择电路

针对整个系统的电压需求，电源模块包含15 V、3．3 V、2．5 V和-2．5 V等多种电压转换电路，其中5 V转3．3 V的电压转换电路如图3所示，采用电流纹波较小的电压转换芯片RT8008，此芯片具有高于95%的转换效率和2．5～5．5 V的宽范围输入电压，输出电压的可调节范围从0．6 V～VIN，固定频率为1．5 MHz，芯片内部有滤波环节。

图3 3．3 V电压转换电路

2．2STM32控制核心模块

系统选用STM32F103VCT6作为系统的控制核心，它性能稳定、功能完备、成本低，是开发小型控制系统核心控制芯片的首选[4]。在系统中主要负责控制A/D转换芯片为V-I电路提供输入电压、控制人机交互界面和系统电压监测。

STM32通过FSMC与液晶模块连接，实现人机交互。根据恒流源需求，通过SPI总线控制AD5062为V-I电路提供输入电压。当设定输出电流时，STM32通过改变寄存器的数据来控制AD5062的输出电压。AD5062是一款单通道、全精度、16位、无缓冲电压输出DAC，最大积分非线性误差(INL)为1 LSB，该器件采用多功能三线式串行接口，能够以最高30 MHz的时钟速率工作，并与标准SPI接口标准兼容，在5 V时的功耗降至1 μA，功耗较低，AD5062的基准电压通过外部REF引脚获得。

AD5062的输出电压的变化主要受基准电压源的影响，为了提高稳定性，选用REF192作为AD5062的基准电压芯片，REF192精密带隙基准电压源采用温度漂移曲率校正专利电路，并对高稳定性薄膜电阻进行激光调整，从而实现极低的温度系数和较高精度。

为了提高系统的稳定性，防止系统出现电路故障，由STM32的ADC分别对电池电压VBAT、STM32供电电压3．3 V和15 V电压进行实时监测，保证了系统稳定、可靠地运行。

2．3V-I转换电路模块设计

V-I转换电路模块等效电路如图4所示，由运算放大器、复合管、精密电阻和反馈调节电路组成。恒流产生的具体流程为：STM32根据触摸屏预置的输出电流大小调节AD5062的输出电压，经过运算放大器后产生基极电流，驮载在静态电流上，通过复合管得到放大了的发射极电流，经过精密电阻后输出电流。

图4 V-I转换电路

为了提高系统的稳定性，作用在上产生差分电压并通过仪表放大器后连接到的反相输入端，构成线性负反馈式电路，具有失真小、稳定度高、纹波小等特点。负反馈调节电路通过线性调节V-I转换电路的正相端输入电压，从而保证其具有恒定的输出电流。负反馈电路选用一款低成本、高精度仪表放大器AD620，它仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1～10 000。

由运算放大器的特性可知：

Vdac=V2

(1)

式中：Vdac为A/D芯片的输出电压；V2为反馈电压。

由于仪表放大器RG引脚不连接，由仪表放大器增益计算公式G=49．4 kΩ/RG+1，可知仪表放大器的增益为1，V2为R7两端的差分电压。

由图4可知

V1=I1R6+Ube+IoutR7

(2)

Iout=(1+β)I1

(3)

式中：Iout为恒流源输出电流；β为晶体管的放大倍数。

由式(1)、式(2)和式(3)可知，输出电流值只与输入电压和采样电阻有关，而输入电压主要受AD5062的基准电压影响。

V-I转换电路中采样电阻的精度和稳定性直接影响输出电流的质量，温度变化和时效变化都会使电阻的阻值发生变化。为了获得高精度的输出电流，该电路采用精度为1‰，温度系数5 ppm/的精密金属膜电阻，有效地克服了采样电阻对输出电流质量的影响；采用运算放大器OP07，它具有高增益、低温漂、高分辨率、较好线性度、较高阻抗等特点，其失调电压漂移0．5 μV/℃，能够有效地减小运放电路对输出电流稳定性的影响。为了避免系统启动和预置电流值时的振荡，电阻后又接入了性能良好的电容，起到稳压作用。

2．4TFT_LCD模块

系统的TFT_LCD模块选用3．0寸英的四线制的电阻式触摸屏，它是一款性能优良的高分辨率显示模块，400×240分辨率，256 K颜色显示，色彩逼真，广泛应用于嵌入式仪器仪表、工业现场、智能家居等领域，有使用简单、速度快、显示效果好等诸多优点。系统中微处理器与TFT通信，控制液晶屏的显示，构建一个高性能低功耗的中文人机界面[5]，通过液晶屏的虚拟按键可以调节输出电流的大小。

3 实验

恒流源的输出电流由于受到模拟电路和数字电路器件、供电、环境等因素的影响，必然存在输出误差。该系统在硬件平台的基础上，采用软件补偿对输出电流进行了校正。为了验证设计方案的合理性及实施方案的结果，对该系统进行了测试。

恒流源电流输出的主功能界面和系统信息界面如图5所示。主功能界面显示系统预置输出电流大小为13．00 mA，并且输出电流的大小可通过液晶屏底部的4个虚拟按键进行调整。由系统信息界面可知，3．3 V电压的监测值为3．29 V，15 V电压的监测值为15．47 V，系统温度为30．25 ℃，固件版本为0．0．0．build083，开机次数为48等信息。

图5 主功能界面和系统信息界面

系统的实验采用吉时利2000型六位半高性能数字多用表对恒流源的输出电流进行测试。系统预热20 min，当电路内部温度达到平衡后，再开始测量，调节电流从0～24 mA递增，每隔1 h测量1次，测试结果如表1所示。

表1 恒流源测试数据 mA

由于随机误差的存在，各测量值均存在一定的误差，由表1可知，13个量值的最大标准差为0．000 492 mA，小于0．5 μA，数值较小，因此本系统方案的测量精度比较高、稳定性较好。

4 结束语

文中设计了基于STM32的便携式高精度压控恒流源，利用ARM微处理器控制数字/模拟转换芯片AD5062快速响应，实现输出电压的精确调节，进而实现输出电流调节的目的，另外应用高性能的运算放大器、精密的金属电阻等元器件构建了恒流源V-I转换电路，应用仪表放大器构建的线性反馈调节电路使输出电流更加稳定。由实验可知，该设计的恒流源输出电流最大标准差低于0．5 μA，具有较高的精度，克服了现在市场上的电流源体积大，成本高，工作状态不稳定等弊端，能够满足模拟传感器提供激励信号的要求。

参考文献：

[1]陈军根，隋昆．高功率电动汽车电池测试系统．仪表技术与传感器，2011(12)：35-37．

[2]徐小涛．数字电源技术及其应用．北京：人民邮电出版社，2011．

[3]王永虹，徐炜．STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践．北京：北京航空航天大学出版社，2008．

[4]陈志奇，黄伟志，张攀．基于ARM和LabVIEW的嵌入式振动信号检测系统．仪表技术与传感器，2012(9)：42-45．

[5]邸兴．基于STM32的便携式人机界面系统．电子工程设计，2011，24(10)：23-26．

作者简介：徐巧玉(1979—)，博士，副教授，主要从事计算机视觉测量，图像处理及嵌入式测试测量设备系统开发等方面的研究。E-mail：xiaoyu0622@163．com

赵传锋(1986—)，在读硕士研究生，主要从事嵌入式测试测量设备系统开发方面的研究。E-mail：392567613@qq．com