一種高精度電流源的設(shè)計(jì)

曾祥幼 蔣煒 陳方亮 黎波

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司712研究所，武漢 430064）

1 引言

恒流源是模擬電路中的重要組成部分，它可以用作驅(qū)動(dòng)、控制或偏置電路。傳統(tǒng)恒流源電路是通過(guò)調(diào)整偏置電阻大小來(lái)改變恒流源特性的，雖然手動(dòng)可以改變偏置電阻的大小，但這種方式在一些要求非線性、高精度、快速反應(yīng)的場(chǎng)合難以實(shí)現(xiàn)精確控制，而且不能在功耗和性能之間取得平衡。此外，傳統(tǒng)恒流源容易受到溫度、電源電壓等因素的影響，導(dǎo)致精度不高，線性度不好。本文介紹的是用C8051F040控制的恒流源，它具有外部電路簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，并在高精度方面有廣闊的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由C8051F040單片機(jī)、鍵盤(pán)與顯示電路、A/D及D/A信號(hào)調(diào)理電路、壓控恒流源等幾個(gè)模塊單元組成。輸入為50 Hz交流200～240 V，實(shí)現(xiàn)輸出為0～10 A可調(diào)，高精度的恒定直流電，并能夠通過(guò)LCD顯示。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

2.1 C8051F040單片機(jī)

采用Silicon公司的C8051F040單片機(jī)，該芯片具有8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，兩路12位D/A轉(zhuǎn)換器，8個(gè)8位寬端口I/O，具有4 K的RAM和64 K的FLASH，兩個(gè)通用同步/異步串行通訊接口（UART0和UART1），I2C串行總線接口和CAN總線接口，采用精簡(jiǎn)指令集（RISE）結(jié)構(gòu)，執(zhí)行命令高達(dá)8MIPS的速度[1]。

2.2 A/D、D/A轉(zhuǎn)換

A/D、D/A轉(zhuǎn)換均采用片內(nèi)12位高速ADC和DAC，為提高輸出精度，基準(zhǔn)電壓采用外接高精密基準(zhǔn)電壓芯片ADR421，2.5 V輸出,公差0.04%，溫度漂移系數(shù)為±3 ppm/℃。使A/D和D/A轉(zhuǎn)換的輸出可達(dá)很高的精度。

采樣電阻把流過(guò)負(fù)載的電流值轉(zhuǎn)換為自身的電壓，經(jīng)AD采樣后給單片機(jī)處理，并在顯示電路中顯示。輸入電流經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后作為電路輸入給定。

2.3 恒流源

壓控恒流源是系統(tǒng)的重要組成部分[2]。它是用電壓來(lái)控制電流的變化，電路原理圖如圖2所示。

采用高精度運(yùn)放OP07，它的輸入信號(hào)有1個(gè)，為單片機(jī)片內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的輸出電壓Vin。給定值Vin與反饋電壓Vref經(jīng)運(yùn)放U1進(jìn)行比較，輸出誤差△U后，誤差△U經(jīng)PI調(diào)節(jié)器U2調(diào)節(jié)后控制三極管Q1基極電流，從而控制了Q1的開(kāi)通程度，再通過(guò)Q1來(lái)調(diào)節(jié)MOS管Q2的柵極電壓，從而調(diào)節(jié)Q2的開(kāi)通程度，以調(diào)節(jié)輸出電流近似等于輸入給定值。若Vin＞Vref，則U1輸出正值，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后，Q1的基極電流增大，使得Q1開(kāi)通加大，從而驅(qū)動(dòng)MOS管Q2開(kāi)通加大，導(dǎo)致輸出電流增大；若Vin＞Vref，則U1輸出負(fù)值，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后，Q1的基極電流減小，使得Q1開(kāi)通減小，從而驅(qū)動(dòng)MOS管Q2開(kāi)通減小，導(dǎo)致輸出電流減小。這種閉環(huán)調(diào)節(jié)速度快，實(shí)現(xiàn)了電路中電流的恒定不變。

在選元器件方面，Q2選用大功率MOS管IFR540N，且使用散熱片，保證其工作在線性區(qū)時(shí)，實(shí)際輸出的恒定電流僅僅由D/A輸出的電壓Vin決定[3]。采樣電阻R5選用RS公司的MSR-5W-025R的精密電阻。

圖2 恒流源電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件按模塊化的方式，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。系統(tǒng)軟件主要完成輸入給定、電流調(diào)整、軟件保護(hù)等功能。包括主程序、校準(zhǔn)子程序和顯示、PID調(diào)節(jié)、LCD通信顯示等其他子程序[1]。

在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，包括A/D、D/A、RS232串口、中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)定，給系統(tǒng)變量賦初值，顯示上次設(shè)定值等。然后掃描鍵盤(pán)值，執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序，輸入恒流源電流。當(dāng)啟動(dòng)鍵按下后，根據(jù)設(shè)定值參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量，通過(guò)D/A給到電路輸入端口中，再每隔1秒AD采樣一次，將采樣結(jié)果通過(guò)RS232傳給LCD屏顯示，如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

4 綜合測(cè)試

負(fù)載串接0.01 ?的測(cè)量電阻，用4位半的萬(wàn)用表讀取測(cè)量電阻電壓，并計(jì)算出實(shí)際電路電流值的方式，對(duì)該設(shè)計(jì)電路進(jìn)行電流綜合測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1

由表1得到，實(shí)際值與給定值偏差最大不超過(guò)10 mA，實(shí)現(xiàn)了不超過(guò)最大電流10 A的0.1%的精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)在電流小于50 mA時(shí)相對(duì)誤差比較大。其原因是采樣電阻的阻值較小，導(dǎo)致測(cè)量分辨率不高。可以采用切換量程的方法，在輸出小電流時(shí)采用阻值大的采樣電阻，則可提高采樣電壓，從而提高分辨率，減小相對(duì)誤差。另外，需要選擇熱穩(wěn)定性好，精度高的電阻作為采樣電阻，保證輸出電流的穩(wěn)定性。

總之，本設(shè)計(jì)硬件采用了PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的方法，使輸出電流穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)恒流源功能，構(gòu)造出了一種高精度的直流電流源，非常適合一般教學(xué)和科研使用。

[1]童長(zhǎng)飛. C8051F系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)與C語(yǔ)言編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.1.

[2]陳堅(jiān). 電力電子學(xué)——電力電子變換和控制技術(shù).北京： 高等教育出版社,2002,1月.

[3]康光華. 電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分[M]. 北京：高等教育出版社，1999.6

[4]康光華. 電子技術(shù)基礎(chǔ)：數(shù)字部分[M]. 北京：高等教育出版社，2000.7

[5]周志敏. 電磁兼容技術(shù). 北京： 電子工業(yè)出版社,2007,9月.