高精度数控恒流源的设计与实现

宋林桂

（苏州健雄职业技术学院 电气工程学院，江苏 太仓 215411）

高精度数控恒流源的设计与实现

宋林桂

（苏州健雄职业技术学院 电气工程学院，江苏 太仓 215411）

为了满足可调温无纺布热切割机对恒流源的需求，文章阐述了一种基于单片机的高精度数控恒流源的设计和实现方法。该电源以电流串联负反馈式压控恒流源电路为基础，以AT89S52单片机为控制核实现数字化控制。为实现高精度要求，在数控部分中，要采用12位高精度数字模拟转换器（Digital Analog Converter， DAC）芯片TLV5616控制压控恒流源的输出电流，并利用16位高精度模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）芯片ADS1115测量输出电流。文章采用矩阵键盘设定电流输出值，采用LCD12864液晶屏显示设定的电流和负载两端电压值。测试结果表明，本恒流源在20～2000mA输出电流时，输出电流与给定值误差小于5mA。

AT89S52；恒流源；ADS1115；TLV5616

高精度恒流源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和医疗、工业生产中得到了越来越广泛的应用。传统的恒流源往往用电位器调节输出电流，其精度较差，且无法实现精确步进。目前，恒流源已朝着数字化方向发展，多采用模数和数模转换器实现数字化控制，具有高精度、高稳定性等特点［1］。

1　系统设计

该系统主要由电源模块、恒流源电路模块、负载模块、单片机最小系统模块、键盘显示模块、ADC电路模块和DAC电路模块、LCD12864液晶显示电路以及4×4矩阵键盘电路构成，系统结构如图1所示。

图1 系统框图

2　硬件设计

2.1 电源电路

系统中使用到集成运算放大器，集成运算放大器供电使用正负电源。如图2所示，为了减少系统输出的纹波系数，系统选用±12V变压器把市电降成低压，变压器变压后经过整流滤波得到正直流电源DC+和负直流电源DC-，正电源DC+和负电源DC-为集成运算放大器提供正负电源。恒流源电路主回路有大电流流过，正电源DC+直接为恒流源电路主回路供电，提高了系统的效率，正电源DC+经过稳压器78L05稳压输出5V电源为系统中的数字电路部分供电。

图2 电源模块原理图

2.2 恒流源电路

根据集成运算放大器的虚短虚断原理，如图3所示，Vda=Vain0=Vrs2=RS2*I，流过电阻RS2的电流I=Vda/RS2。根据KCL原理，三级管基级电流忽略不计，流过负载RL的电流I2=I=Vda/RS2，RS2是一个0.5Ω的电阻，I2=2Vda，流过负载的电流和DAC芯片输出电压值Vda是2倍关系。通过改变DAC芯片输出电压值来改变系统输出电流值的大小，从而达到数控恒流的目的。系统的输出电流达到2A，选用大功率三极管2N3055，为了减少三极管的温飘和产生的热噪声，在三极管上面加了散热器和小型直流散热风扇。采样电阻RS2上会有大电流流过，普通大功率水泥电阻温度系数大，温度系数大的电阻当电阻温度发生变化时电阻的阻值变化大，温度系数大的电阻不适合做采样电阻，该采样电阻选用温度系数小的康铜丝。

2.3 ADC电路原理

为了达到准确的电流控制，系统采用ADC电路来采集恒流源中电阻RES2两端的电压，来测量输出电流的大小，通过闭环来调节输出电流的大小，使输出电流接近设定值。ADC芯片选用TI公司的16位ADC芯片ADS1115， ADS1115有一个板上基准和振荡器，ADS1115和单片机通过I2C总线通信。ADS1115采用2.0～5.5V的工作电源，系统的数字电路部分的供电电压是5V，系统中ADS1115的供电电压是5V。ADS1115有4个单独电压测量端，可以组成2个差分输入电压测量。恒流源电路中采样电阻阻值是0.5Ω，最大输出电流是2A，采样电阻两端电压最大是1V，为了提高测量采样电压的精度，ADS1115的基准电压选择1.024V，该基准电压是通过配置ADS1115寄存器有ADS1115内部产生。同时负载两端的电压经过分压降压后给ADC测量，测量出负载两端的电压。

图3 恒流源电路原理图

2.4 DAC电路原理

为提高输出电流的控制精度，采用了高精度12位DAC芯片TLV5616。TLV5616是一种电压输出型的4线可变串行接口数模转换器。为了应用于CMOS处理中，TLV5616设计了2.7～5.5V的单电源供电范围。其输出缓冲是2倍增益轨对轨（railtorail）输出放大器，使最大输出电压为参考电压的2倍。实际电路中，模块的工作电源为5V，参考模拟输入电压REFIN由外部基准电压电路提供，取2.50V［2］。基准电压电路有TL431组成，TL431是可控精密稳压源，它的输出电压用两个电阻就可以任意方便设置到Verf2.5～36V范围内的任何值。

2.5 单片机控制显示电路

单片机选择AT89S52，AT89S52是一种最基本的8位单片机，拥有一些基本的硬件资源，为了减少系统成本，系统主控芯片选用AT89S52。为了达到良好的人机交互系统，系统选用4×4矩阵键盘作为输入设备，系统选用128×64像素的LCD12864液晶屏作为显示设备。系统使用矩阵键盘设定输出电流值，LCD12864液晶屏显示输出电流值和负载两端电压大小。

3　系统软件设计

系统初始化包括LCD12864液晶屏初始化和TLV5616初始化，为了优化程序把汉字和单位字符在系统初始化时就写到12864液晶屏寄存器里，不需要在更新显示电压和电流值时把汉字和字符重复更新。4×4矩阵按键除了有数字键还有设定按键、确定按键和取消按键，当设定按键开始按下时开始设定输出电流大小，确定按键按下时更新输出电流，当设定电流输入错误时按下取消按键可以重新设定输出电流值。单片机根据设定电流通过DAC芯片输出模拟电压量给恒流源电路，恒流源电路输出电流和设定电流有一些偏差，为此增加了反馈回路，提高输出电流的精度。ADC芯片检测采样电阻电压的大小，单片机根据采样电阻电压大小运算得到恒流源的输出电流大小，将检测到的输出电流和设定电流进行比较，如图4所示，根据比较结果增大或减少DAC芯片输出模拟电压量，使检测到的输出电流和设定电流在允许误差范围内，在20～1 000mA范围内允许误差±1mA，在1 000～15 00mA范围内允许误差±2mA，在1 500～2 000mA范围内允许误差±4mA。单片机再通过ADC芯片测量负载两端的电压，LCD显示设定电流值和负载两端电压值。

图4 系统流程图

4　系统测试

系统的输出电流精度比较高，普通的万用表无法满足测量要求，故使用6位半数字万用表进行电流测量。在负载是2Ω的情况下，测量实际输出电流和设定电流比较，测试系统的输出精度。在设定电流是1000mA的情况下，改变负载电阻然后测量实际电流的大小，测试系统的恒流性能。

表1 系统测试数据

5　结语

该数控直流恒流源具有精度高、稳定度强等优点，该系统可以用作可调温无纺布热切割机的驱动控制电路，可调温无纺布热切割机的切割刀是一段加热丝，把加热丝接在系统的负载端，通过改变加热丝上的电流来改变加热丝的切割温度，能够起到很好地控制切割温度的作用。

［1］黄天辰，贾嵩.高精度数控直流恒流源的设计与实现［J］.仪表技术与传感器，2013（6）：27-29.

［2］荣军，杨学海.基于单片机的简易恒流源系统的设计［J］.电子器件，2013（2）：225-229.

［3］钟乃元，高飞.大电流高精度恒流源［J］.电子测量技术，2007（9）：176-179.

Design and implementation of high precision numerical control constant current source

Song Lingui
（Electrical Engineering School of Chien-shiung Institute of Technology， Taicang 215411， China）

In order to meet the demand of temperature adjustable non-woven hot cutting machine for the constant current source， the paper introduced a design and implementation method of high precision CNC based on constant current source. The power supply is based on the current series negative feedback voltage controlled constant current source circuit， taking AT89S52 microcontroller as the control core to realize digital control. To achieve the requirements of high precision， in the numerical control part， a 12 bit high precision DAC（Digital Analog Converter）control chip TLV5616 voltage is used to control the output current of constant current source controlled by voltage， and the 16 bit high precision ADC（Analog to Digital Converter）measurement chip ADS1115 is used to measure output current. The article uses the matrix keyboard to set the current output value， with LCD12864 liquid screen showing voltage value of both current and the load end. The results showed that the error between output current and the given value is less than 5mA when the constant current source is outputing current in the range of 20～2000mA .

AT89S52； constant current source； ADS1115； TLV5616

宋林桂（1990— ），男，安徽亳州，助理实验师；研究方向：嵌入式应用设计。