一种高精度闭环数控直流电流源的研制

柴西林， 史亚盼， 杜丽霞(.西北师范大学 知行学院，甘肃 兰州 730070；.兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070)



一种高精度闭环数控直流电流源的研制

柴西林1， 史亚盼1， 杜丽霞2
(1.西北师范大学 知行学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070)

基于直流电流源的原理，以AT89S52单片机为中心控制器，利用按键设置电流的输出值，通过单片机将该电流值送数码管显示；同时，通过D/A转换器DAC0808的数据通信端口将输出电流的数字量送入D/A转换器，转换为模拟量后输出，再通过U/I转换电路得到稳定输出的电流。经过实验测试，该数控电流源具有很高的精度值，可满足多种电流源的实验要求，且具有性能可靠、步进精度高、电路简单易懂、成本低廉等优点。

数控； 电流源； AT89S52； DAC； 步进

0 引 言

恒流电源是为电流型负载提供稳定电流的重要仪器[1]。这种电源设计不但要能满足各系统对电源的不同要求，并且还要能保证整个系统稳定工作[2]。目前使用的直流电流源大部分都是利用分立器件组成，其体积大、效率低、可靠性差、操作使用不方便、自我保护功能不够完善和故障率较高[3-4]。随着电子技术的发展，产品数字化智能化已成为必然趋势。目前，市售数控电流源产品多以硬件线性负反馈式控制、软件非线性校正的方法输出电流，控制方法简单，但是校正程序复杂，电流所需的动态调整时间较长，特别是此类电流源效率不高[5-8]。常见的电流源一般只具有单一的电流值，或有限的几档电流值，通用性不强，且稳定性和可靠性较低[9-10]。以单片机系统为核心而设计的新一代数控直流电流源不但电路简单、结构紧凑、价格低廉，而且单片机具有计算和控制能力，可对各种采样数据进行处理，控制其输出电路，从而可减少或排除由于干扰信号引起的输出电流波动，提高输出电流的稳定性。本文提供了一种数控直流电流源的设计方案，以STC89C52单片机为核心控制电路，利用8位D/A模块产生稳定的控制电压。输出电流范围为0～2 A，具有“+”、“-”步进调整功能，步进为10 mA，纹波电流小，数码管同时显示预置电流值和实测电流值，便于操作和进行误差分析。

1 设计要求与总体方案

1.1 系统设计要求

该设计中数控直流电流源要求输入交流电压值为200～240 V，50 Hz；要求输出直流电压值≤10 V。其主要技术指标：①输出电流范围0～2 A；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10 mA；④改变负载电阻，输出电压在10 V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1%+10 mA。根据设计任务，详细分析数控高精度直流电流源的设计需求，并进行软硬件的总体设计。

1.2 系统设计总体方案

按照系统设计要求，在保证实现的基础上，要尽可能降低系统成本。整个系统从功能上划分为5个模块，如图1所示。主控模块采用AT89S52单片机作为整个系统的控制单元，通过改变D/A转换器的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。电流源模块采用压控电流源(U/I变换电路)，通过改变电流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送数字量到D/A转换器，转变成模拟信号，再送到大功率三极管进行放大。单片机系统实时对输出电流进行监控，采用数字方式作为反馈调整环节，由单片机内部程序控制调节功率管的输出电流，使其恒定不变。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。该模块通过软件方法实现输出电流稳定，功能易于实现，便于操作，并且成本低廉。电源模块选用由78系列三端稳压器件构成的稳压电源，通过全波整流后，再进行滤波稳压，考虑到该电流源输出电压在24 V以内，最大输出电流大于900 mA，由P=UI可以粗略估算电流源的功耗为22 W；同时考虑到恒流源运算放大器部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出60 W以上。由于串联稳压电路的输出纹波小，符合恒流源的需求，其输出电压能满足系统要求，而且简单实用。显示模块使用七段LED数码管；键盘模块选择独立键盘。

图1 系统设计总体方案

2 系统硬件各功能模块的设计

2.1 主控模块电路设计

AT89S52单片机系统是整个数控直流恒流源系统的核心部分，它负责键盘处理、数据处理、数据显示和实时调整输出电流[11-12]。AT89S52接口电路见图2。

图2 AT89S52接口电路

2.2 D/A转换电路的设计

根据设计要求，该恒流源具有数控功能，输出电流0～2 A，步进10 mA。由于本设计的恒流源为压控恒流源，因此采用“单片机+D/A转换”的方式比较合适。根据设计指标，要求实现2 A的电流输出，因此选用8位D/A转换器，完全满足设计要求。设计中用2个电压控制字代表0.1 V，当电压控制字从0，2，…，198时，可调稳压源输出0.0，0.1，…，9.9。由于DAC0808是电流输出型，输出的电流随输入的电流控制字线性变化[13]。若要得到电流，还需要外接一片运放来实现电流到电流的转换。由于DAC0808输出级没有加集成运放，所以需外加NE532相配适用。考虑到设计需要，采用了单缓冲双级性的接法，如图3所示。

图3 DAC0808接口电路设计

2.3 电源供电模块设计

本设计采用直流稳压电源，从系统对纹波电流的要求出发，选择用78系列以及79系列集成三端稳压器构成的稳压电源，另外加上保护电路[14]。为防止220 V电源掉电后三端稳压器的输出电压高于输入电压，造成三端稳压器的损坏，在三端稳压器的输入端和输出端之间跨接了一个保护二极管。由于本系统中为U/I变换电路提供±5 V电压，需要最大输出2 A的电流，但是7815不能输出2 A的电流，因此用7815稳压不便，如果非要稳压可以采用7815和三极管构成扩流电路。这里主要是输出电流与U/I变换电路的供电电压没有直接关系，所以需要整流、滤波即可。况且高一些的电源电压还可以提高负载电阻的变化范围。

图4 系统电源电路

如图4所示，直接采用变压后接整流器加滤波电容就可以。其中滤波电容选择2200 μF/100 V的铝电解电容。电源变压器采用了双15 V的变压器，输入220 V，50 Hz交流电，经全桥整流，滤波，稳压后得到±15 V和+5 V三种输出，+5 V部分供单片机及D/A，U/I，显示等部分使用，电流最大约400 mA，+15 V和-15 V部分供运放使用，最大电流不超过50 mA。

2.4 基准电压电路的设计

基准电压源是当代模拟集成电路极为重要的组成部分，它为串联型稳压电路、A/D和D/A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源[15]。因此若基准电压不够稳定和精确，会影响系统的精度。在本设计中采用运算放大器OP213EP来产生所需的+5 V基准电压，而基准电压源则采用MC1403。MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高精确度、低温漂的基准电压源。基准电压电路如图5所示。

图5 基准电压电路

2.5U/I变换电路的设计

在本设计中，电流源电路采用压控电流源来实现。压控电流源的核心就是电压/电流(U/I)变换电路，主要由给定与比较放大单元、功率放大单元组成[16]。其U/I变换电路原理图如图6所示。本设计采用三极管并联电流调整方式。若三极管放大倍数β很小(取β=100)且流过三极管电流较大时，例如Iout=200 mA时,有Ib=2 mA,Ie=202 mA，那么电流取样误差将很大。如果β较大(取β=1 000)，那么Ib=0.2 mA，Ie=200.2 mA,误差将大为减小。此外，选择调整管还必须要注意满足：①Icm>Icmax；②Uceo>Ucemax；③Pcm>Pcmax；且考虑到最大输出电流为2 A，电流调整范围也比较大，此时Icm应大于最大负载电流Iomax的2～3倍。达林顿管属于复合型晶体管, 其β值很大，本设计采用了TIP122达林顿管，β值大于1 000倍，Icm为8 A，完全满足设计要求。在输出回路中引入一个反馈电阻RF，输出电流经IO反馈电阻RF得到一个反馈电压Uf，经R12、R13加到运算放大器的两个输入端。由电路可知，其反相端和同相端的电压分别为

Un=U2+(Ui-U2)R14/(R12+R14)

(1)

UP=U1R/(R13+R15)

(2)

式中:Un为反相端的电压；UP为同相端的电压；Ui为

图6 U/I变换电路

输入电压(来自D/A输出在图中为VOUT)。

对于运算放大器，有Un≈Up，故有：

(3)

由于U2=U1-Uf，则

(4)

若令R12=R13=20 kΩ，R14=R15=1 kΩ，则有：

UF=UiR14/R12=Ui/20

(5)

因为DAC0808芯片的基准电压UREF为5 V，所以

(6)

略去反馈回路的电流，则有：

IO=UF/RF=Ui/(20RF)

(7)

又因为最小的电压变化值Um=5.0U/(28-1)=20 mV。当取样电阻RF=0.1 Ω时，代入式(7)可得: 20/(20×0.1)=10 mA，所以可以实现电流的步进为10 mA。

可见，当运算放大器增益足够大时，输出电流Io与输入电压Ui成正比，其比值只决定于取样电阻RF而与负载电阻RL的大小无关，因而具有恒流性能。当RL在0～9.6 Ω时，输出电流Io在0～2 A线性地与0～4 V直流输入电压相对应。

2.6 NE5532接口电路

NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。如图7所示NE55532接口电路。

图7 NE55532接口电路

2.7 人机接口的设计

(1) 键盘的设计。在本设计中独立键盘采用中断和查询结合的方式，复位键采用中断方式，其他键都用查询的方式，如图8所示。各按键功能说明如下。加1键：在设置状态下，每按一次数值加0.1(9+1=0)；减1键：在设置状态下，每按一次数值减0.1(0-1=9)； 复位键：在设置状态下，按下进入中断，使电压设定值变为初始状态。

图8 键盘与单片机接口电路

(2) 显示模块设计。根据二位数码管显示原理图，可以得到二位数码管驱动以及连线原理图如图9所示，即可显示实际电压，间接指示电流。

图9 二位数码管驱动以及连线原理图

3 系统软件设计

3.1 主控程序流程

3.2 D/A子程序流程

由图10、11可以看出，D/A子程序的作用是将设定的数字量通过变换送给D/A。

3.3U/I子程序流程

由图12看出，修改精度为一个数字量，由于U/I和D/A的精度限制，修改量只能达到0.1 V，但足已满足设计需要。

图10 系统主控程序流程图图11 D/A子程序流程图

图12 U/I子程序流程图

3.4 歩进步减子程序

步进、步减子程序流程如图13所示。由步进、步减子程序框图可以看出，如果每次把D/A的数字量加01H，可以使步进量和步减量由0.1 V变为0.05 V；如果采用更高位的D/A转换器，可以使步进量和步减量进一步的减小,以满足更高的要求。进入设置子程序后就屏蔽了“+”，“-”和设置键。然后逐步判断按键，执行相应程序。

图13 步进、步减子程序流程图

4 系统软硬件联合仿真调试

利用Proteus和KEIL C51进行硬件仿真电路及软件程序的联合调试，如图14所示。

图14 硬件仿真电路及软件程序的联合调试

5 数据测试及误差分析

数据测试是反映系统性能的重要指标，因此对本系统进行了全面的输出电流测试。负载电阻为5 Ω时测试数据如表1所示。本次测试采用的仪表为Proteus软件提供的虚拟电表和虚拟的电压电流探针。

表1 测试数据统计

改变负载电阻，让输出电压在0～10 V以内变化时，测出输出电流变化的绝对值，检测结果见表2。

表2 电流随负载改变的测试数据

本设计中所采用的D/A芯片DA0808的分辨率为8位，以电源电压为基准电压，即基准电压为5 V，则其最小转换电压Um=5.0U/(28-1)=20 mV。D/A转换器AD5320的误差为+1LSB，当电流设定为1 800 mA的时候，出现了最大偏差1.64 mA，这时输出电流的误差在2LSB之内，是由于D/A转换器本身带来的系统误差，因此通过数据分析可知，该恒流源达到了设计要求。由于D/A芯片的最小转换电压为20 mV，所以D/A输出电压的误差为20 mV。当输出电流与设定电流大小不相等的情况下，如图5～10所示；当输出电流小于设定值时，D/A转换器的输出电压会一直增大，直到输出电流值与设定值相等为止。

6 结 语

本设计是以单片机系统为核心设计的数控高精度闭环直流电流源，其电路简单、结构紧凑、价格低廉，而且单片机具有计算和控制能力，可对各种采样数据进行处理，因而控制其输出电路，从而可减少或排除由于干扰信号引起的输出电流波动，提高输出电流的稳定性，并采用8位D/A转换器转换得到相应电压从而通过压控电流源电路产生高精度高稳定性的电流。又利用键盘和显示实现人机交互，取值精度高，操作方便。本设计使用软件的虚拟仪表、电压电流探针来测试电流和电压，所以测量数据与产品的实际测量数据可能存在一定的误差。本系统通过优化软硬设计，尽量减少误差，使输出电流的波纹电流小于0.2 mA，提高了系统的精度，并且与理论计算相吻合。如果要进一步提高系统输出电流精度或减小电流步进单位，可以使用的分辨率更高的D/A芯片来实现。如果需要增大输出电流，可以通过减小负载反馈电阻RF的阻值并修改控制程序来实现。如果需要扩大负载的变化范围，则需要适当提高U/I转换电路的供电电压(可以增加到36 V)。

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Research of Digitally Closed Controlled and High
Precision DC Current Source

CHAIXi-lin1，SHIYa-pan1，DULi-xia2
(1.Zhixing College, Northwest Normal University，Lanzhou 730070, China；2. School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

A DC current source was designed by using AT89S52 microcontroller as the center controller. The current output value can be adjusted by touch-keys, single chip microcomputer sends the current value to digital tube display. At the same time, the data communication port of D/A converter DAC0808 sends the number of output current to D/A converter, which converts it to analog output, at last byU/Iconversion circuit the stable output current can be achieved. After testing, this digitally controlled DC current source has high precision, can meet the requirement of a variety of current source experiments, and has reliable performance, high precision stepper. It is also simple, low cost, high practical value and development value, etc.

digitally control; current source; AT89S52; DAC; stepping technique

2014-06-06

柴西林(1984-)，女，甘肃兰州人，硕士，讲师，研究方向：信号处理。Tel.：13919119783；E-mail:chai.xilin@163.com

TN 86

A

1006-7167(2015)02-0075-06