数控直流电流源设计分析

吕秀强，曹乐乐

1.安徽理工大学，安徽 淮南 232001

2.南京瑞智电气科技有限公司，江苏 南京 211100

0 引言

低纹波、高精度、稳定的直流电流源是一种非常重要的专用电源，在现代科学研究和工业生产中得以广泛应用。普通电流源通常采用电位器调节，输出电流值不能实现精确的步进。虽然部分电流源可以实现数控，但输出电流值往往较小。为此，文章结合单片机技术及变换电路，采用反馈调整控制方案设计了一种新型基于单片机高精度数控直流电流源。

1 设计方案

1.1 恒定电流源模块方案

文章所设计的线性恒流源电路具有集成线性运放的功能。该方案所采用的恒流源电路由N沟道的MOSFET运算放大电路、采样电阻等组成。由于功率场效应管的恒流特性与电路具有电流反馈功能，使得电流电路的工作更加精确[1-2]。其中，电流源由微型处理器单片机与恒流源电路组成。通过键盘可以设定初始电流值，控制器在D/A转换电路的作用下将数字信号转换成模拟信号，模拟信号经过运算放大器电路来控制电流值，同时输出电流值。此外，可使用采样电阻变成电压信号传送给控制器与初始预值进行比较，这样构成的调节方式为反馈调节[3]。该方案可以实现该课题的基本需求，当负载电阻在一定范围内变化时，具有良好的稳定性和精确度。该课题可实现的最大输出电流为2 A，最大输出电压为10 V，且输出电流的纹波较小。

1.2 数控模块方案

控制模块采用AT89C52单片机，该单片机系统简单、运算能力较强、软件的编程较灵活。芯片上的程序可以通过ISP进行快速下载。该程序的更新比较简单，同时可以充分发挥C语言的灵活性，其编程可以实现各种算法和逻辑控制，具有功耗低、体积小、技术成熟、成本低等优点。

1.3 显示模块方案

采用点阵式128×64液晶屏显示器显示输入、输出值，显示数据可视面积较大、画面效果好。此外，其体积较小可以节约空间资源，且功耗低，可以节约控制器软件资源。

1.4 键盘模块方案

模块标准采用4×4键盘，使用矩阵行列扫描方式。若键盘中按键数量较多时，将按键排列成矩阵形式不仅可以减少单片机的I/O端口占用数量，还可以直接连续调整并不断完善输入电流值，满足设计需求。

2 系统硬件设计

2.1 恒定电流源电路设计

为了满足上述设计要求，恒定电流源输出电流的范围设置为200～2 000 mA（输出直流电压≤10 V），采用复合达林顿管的功率放大器和OP07相结合的方案，控制输出电流，其主要电路如图1所示。

图1 恒定电流源图

2.2 单片机最小系统设计

（1）时钟电路。为了单片机正常工作，必须由时钟驱动。单片机内部有时钟振荡电路，如图2所示。在51单片机中，时钟电路产生有内部时钟模式和外部时钟模式两种，在设计中一般选用石英晶体振荡器。晶体振荡器具有频率稳定性，振荡器在电源延迟约10 ms后启动，并在XTAL2引脚上产生振幅约为3 V的正弦波时钟信号。振荡频率主要由石英晶体振荡器的频率决定，电路中石英晶体振荡器的频率为12 MHz。电容器C1和C2有两个功能：帮助振荡器启动；微调振荡器的频率。

图2 单片机最小系统时钟电路图

（2）复位电路。当AT89C52单片机的RST被高电平复位信号增强时，微控制器在内部执行复位操作。当复位信号变低时，微控制器开始执行程序。在实际操作中，通常有两种复位方法，一种是通电复位，另一种是复位模式，对电源和按钮均有效。上电复位要求微控制器在通电后自动工作，通常当程序出错时，电路可以随时复位。

2.3 D/A和A/D电路设计

（1）D/A 转换器。在设计过程中，利用DAC模块提供高精度的参考电压，即将CPU输出的二进制信号转换为0～10 V的模拟电压，再送入误差放大器，从而实现步进基本要求。

根据设计课题的扩展功能要求，200～2 000 mA以1 mA的步长，需要的级数可查阅相关公式，因此应采用12位D/A转换器作为D/A转换芯片，文章选择Proteus组件库中提供的LTC1456芯片。

（2）A/D 转换器。反馈的核心是A/D模块。采用Proteus组件库中的TLC2543芯片，TLC2543芯片是一种低功耗、低电压2位的串行模数转换器，采用逐次逼近技术，完成最大A/D转换，最大非线性误差小于1 LSB，转换时间为9 μs。该转换器有3个输入控制端，因此可以通过一个简单的3线SPI串行接口很容易地连接到微型计算机。

3 软件程序总体流程设计

系统软件的主要任务是实现A/D转换、D/A转换、步进加减、键盘扫描、液晶显示等基本功能，程序可以通过键盘实现对D/A输出电压的预值设置，以及对负载两端的电流大小的测量，从而通过键盘的控制实现对整个电路电流的控制，并将电流在液晶显示器上显示。系统在加上外电压时，先完成的是系统的初始化程序，其中包括I/O接口、中断系统、定时器/计数器等工作状态的设置以及变量的赋值等。完成系统初始化后打开中断系统，随之进入键盘的扫描程序，通过键盘扫描获取赋值，根据赋值完成预值电流设定、步进加减，并通过液晶显示器显示电流值。

4 结束语

该系统以AT89C52单片机为控制器，调整主电路的输出电流，并通过液晶显示器显示输出的电流值，完成了数控恒流源的制作，实现了输出电流的可调与步进的加减，可以较好地满足系统的基本需求。通过分析，得出以下结论：

（1）当输出电流不够时，可将DA基准电压调成1.02 V，将AD基准电压调到4.096 V。

（2）开始把A/D转换与D/A转换模块分开设计时，输出值的跳动较大，纹波大；将两个模块放在一块电路板上时，达到了预期的效果。

（3）DA/AD转换关系是通过计算把对应关系赋予单片机，提高了系统测量值的精确性。

（4）输入15 V电压的导线有电阻，导致负载电阻加大，可能引起测量值的误差。

（5）使用万用表时，其内阻可能引起误差。

（6）电容滤波不够，导致整个电路不太稳定。

（7）当系统长时间工作时，整体温度过高，部分电学元器件可能产生温度漂移现象。

（8）存在外部信号干扰，如周边的强电流产生的电磁场导致误差。