引言

所謂恒流源就是輸出電流非常穩(wěn)定的電源，但是這個穩(wěn)定是相對的，而非絕對一成不變的，只是它的變化率小到在實際應用中可以忽略。輸出電流發(fā)生變化的原因主要有以下幾個方面：1)恒流源本身條件所決定的。構(gòu)成恒流源的元器件質(zhì)量失效或者參數(shù)發(fā)生變化時，參數(shù)就有可能引起電流波動。2)恒流源系統(tǒng)受外界環(huán)境的影響而使電流輸出發(fā)生變化。3)電網(wǎng)供電電壓不穩(wěn)定所致。4)供電負載發(fā)生變化。比如負載短路或者空載時，負載電流非常大或沒有。在本文中數(shù)控恒流源系統(tǒng)設計中主要針對以上第一和第二個因素設計了基于數(shù)字控制的恒流源系統(tǒng)，從而提高恒流源輸出電流的精度。

1 簡易數(shù)制電流源系統(tǒng)工作原理介紹

本論文設計了基于單片機的數(shù)控恒流源，此系統(tǒng)由恒流源主電路和單片機最小系統(tǒng)組成，外圍電路還包括自制電源供電電路、LCD顯示電路、R232接口電路以及4×4矩陣鍵盤設置電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中單片機控制系統(tǒng)采用單片機C8051F020，單片機內(nèi)部自帶A／D和D／A轉(zhuǎn)換電路，單片機內(nèi)部還設置了串口通訊功能。

1．1 恒流源電路設計

恒流源部分要求輸出最大電流達2000 mA，輸出最大電壓達到10 V，所以需要供電電壓穩(wěn)定，紋波電流要求很小，因此對電源的要求較高，主要是對電源的功率和紋波電壓的要求高。如果采用全橋整流加電容濾波電路，該電源將通過變壓器的低壓交流電變?yōu)榫哂姓搶ΨQ輸出的直流電，實際輸出電壓為±20V左右。采用100nF和1．0μF電容濾除電源中的高頻交流成分，后級濾波電容選用了10000μF提高續(xù)流能力。這種電路多見于要求不高的直流電源中，其驅(qū)動能力和后級的濾波電容有關，該電源電路無法持續(xù)提供大電流輸出。如果選用采用三端穩(wěn)壓集成電路，三端集成穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓效果較好，但其難以達到2000mA以上的大電流輸出，為了滿足本恒流源需要，可以采用多塊集成穩(wěn)壓芯片并聯(lián)的方式來擴流，理論上這種電路輸出的電流為各穩(wěn)壓芯片輸出電流之和。要達到比較好的穩(wěn)壓效果，要求并聯(lián)的各穩(wěn)壓芯片參數(shù)盡量接近。但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，由于器件的不一致性，當電流接近最大電流值時，穩(wěn)壓效果急劇變差。因此，要取得好的穩(wěn)壓效果，需要電路輸出最大電流值要大于所需電流值，這必會造成器件的浪費，且各穩(wěn)壓芯片的參數(shù)必須盡量接近。最后選用三端穩(wěn)壓芯片電路外接擴流管的形式。這種電路既充分利用了穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓性能，又能借助擴流管輸出較大的電流，廣泛使用于一些高精度的線性穩(wěn)壓電源中，其基本設計電路如圖2所示。圖2中采用三端穩(wěn)壓芯片LM7815和LM7915驅(qū)動達林頓管TIP127和TIP122，該管最大集電極電流為8A。圖2所示的電路很大部分電流從擴流管流過，只有很少部分電流直接流過穩(wěn)壓管，當電流為3A左右時，輸出電壓也幾乎不變，性能優(yōu)越。

1．2單片機最小系統(tǒng)設計

數(shù)控電路組成包括單片機最小系統(tǒng)、A／D采樣輸入電路和D／A控制輸出電路。其中數(shù)控直流電流源的控制電路采用單片機最小系統(tǒng)對電路各部分進行控制。文獻中采用單片機AT89S52作為控制器，除需要完成數(shù)控部分、鍵盤輸入、通信以及顯示輸出功能控制外，還需要控制外接DA和AD芯片工作。采用AT89S52進行控制比較簡單，但是其I／O資源有限，不能滿足電路設計需求，需要外接芯片進行I／O擴展。由于需要外接DA和AD芯片，電路設計相對比較復雜。本文采用C80F020單片機進行控制，它是新華龍生產(chǎn)的51內(nèi)核微控制器，內(nèi)部集成8路12位ADC和2個12位DAC，具有內(nèi)部電源基準，每個DAC都具有靈活的輸出更新機制，并支持無抖動輸出更新；I／O口資源豐富，具有8組共64位I／O，所有口線均耐5V電壓；存儲空間大，64k的程序存儲FLASH和4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM。采用C8051F020單片機，可以省去外接DA和AD芯片，其自帶的DA和AD完全能夠達到設計需求，使電路設計更加簡單，抗干擾性能提高。最小系統(tǒng)由單片機、采樣輸入、控制輸出、串口通訊電路及復位電

路、鍵盤、顯示電路組成。單片機最小系統(tǒng)圖如圖3所示。

1．3 系統(tǒng)控制算法軟件實現(xiàn)

采用數(shù)字控制策略比模擬控制策略有無可比擬的優(yōu)勢：實現(xiàn)不同的控制算法；數(shù)字PID具有設計周期短，調(diào)試和升級方便等優(yōu)點。程序流程圖如圖4所示，系統(tǒng)通電后C8051F020單片機對硬件系統(tǒng)進行初始化，隨即進入鍵盤掃描等待。從鍵盤輸入各項需要設定的參數(shù)，包括恒流源的輸入輸出方式、電流大小、電流調(diào)節(jié)步進。各項參數(shù)輸入時更新液晶，并相應地輸出DA。DA輸出后，通過恒流源電路。恒流源輸出電流后，電流監(jiān)控電路將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，通過AD采樣輸入到C8051F020單片機。單片機將采集到的電流參數(shù)與預設定的電流參數(shù)對比，然后進行校正，直到兩者相等或者很相近。然后繼續(xù)返回鍵盤掃描，等待下一次參數(shù)設定。本系統(tǒng)程序主要包括12864LCD模塊、鍵盤掃描模塊、AD采樣以及校正模塊三大板塊。AD采樣以及校正采用了一種特定的算法，自動對預設定參數(shù)進行軟件跟蹤校正，在最大程度上提高了恒流源的輸出精度。

2 實驗結(jié)果及分析

2．1 技術指標

技術指標：輸入電壓220V／50Hz，輸出電流范圍為0～2000mA，具有“+”、 “-”步進調(diào)整功能，步進≤10mA；輸出電流最大偏差小于1mA。改變負載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1％±1mA；另外恒流源系統(tǒng)要求具有可設置為流入或流出模式、具有自動控制電流規(guī)律變化大小輸出模式以及具有輸出電壓監(jiān)控和設置最大電壓輸出值功能。

2．2 測試結(jié)果及分析

數(shù)控恒流源系統(tǒng)軟硬件電路設計完成后數(shù)控電路如圖5所示。恒流源電路以自制電源為電源。測試方式為：首先將負載電阻短路，通過人機交互界面(鍵盤和液晶)預設定要輸出的電流值，測得恒流源在零負載情況下的性能指標，然后再改變負載電阻，測試恒流源電路的帶負載能力。此處的可變負載電阻也采用的是瓷盤變阻器。數(shù)據(jù)測試分為兩部分，一部分為恒流源為輸出式恒流源時的數(shù)據(jù)測試，一部分為恒流源為輸入式恒流源時的數(shù)據(jù)測試。具體數(shù)據(jù)見表1和表2。從表1和表2可知，數(shù)控恒流源的各項指標都比較優(yōu)秀，在最小步進和恒流源的精確度兩項指標上均達到或者超過題目要求的技術指標。

3 結(jié)論

設計了基于單片機控制的簡易數(shù)控恒流源，用單片機代替模擬控制芯片具有以下優(yōu)勢：

(1)單片機控制電路的應用，減少了控制電路的外圍電路，減少了恒流源的重量和體積。

(2)數(shù)字化處理和控制，可避免模擬信號傳遞的畸變、失真，減少雜散信號的干擾；

(3)數(shù)字控制電路相對于模擬控制電路具有輸出電流恒定、精度高的特點，且外置液晶顯示功能。因此本論文對研究恒流源技術的科研人員具有很好的借鑒作用。