精密程控恒流源的設計

陳以華

文章編號：2095-6835（2017）10-0117-01

摘 要：從恒流源的作用及原理入手，首先介紹了恒流源的分類，而后主要針對程控恒流電源進行了系統設計，以期為其他同行提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞：程控恒流源；單片機；恒壓源；壓控恒流源

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.117

1 恒流源的作用及原理

恒流源一般有2個作用：①可以作為有源負載被當作高電阻使用。②為放大器提供靜態電流補償，從而增大放大電路的電壓放大倍數。這種用法在集成運放電路中有非常廣泛的應用。恒流源有很多分類，可以程序控制調整穩定電流的一般為壓控恒流源電路，主要是靠程序調節控制點的電壓值來調節恒流的數值。

2 程控恒流源的整體結構

系統主要由系統供電電源、直流電壓變換電路、恒流源電路、主控單元、外圍輸入輸出電路和擴展的恒壓源電路6部分組成，如圖1所示。其中，外圍輸入輸出電路包括鍵盤和LCD顯示屏。運轉邏輯是供電電源經轉換電路轉換后供電給主控單元，恒流源電路和擴展的恒壓源電路作為各自的輸入供電。恒流源電路采用壓控恒流源原理設計實現輸出電流穩定的功能。ATMEGA16單片機作為系統的主控核心，接收鍵盤的輸入信息，將此信息轉化為恒流源電路的對應控制電壓輸入給恒流源，并通過內部的ADC模塊采集監測恒流源的負載電壓，從而判斷恒流源是否達到了要求，并最終將這個恒流源的輸出電流值顯示在LCD顯示屏上。

3 主控單片機單元的選取

本程控恒流源中使用到模數轉化和數模轉化，結合可靠性及性價比，選取AVR內核具有豐富的指令集ATmega16單片機來構建整個程控恒流源系統。它擁有32個與運算邏輯單元（ALU）相連接的通用工作寄存器。這樣的結構可以提高代碼效率，因為它在一個時鐘周期內1條指令同時訪問2個獨立的寄存器，與普通的CISC微控制器相比，其最多可以有10倍的數據吞吐率。

ATmega16單片機還具有如下硬件資源：內置8路10位的高精度模數轉化器ADC，1個SPI總線，1個I2C總線，1個USART串行總線，32個通用I/O口線，3個具有多種模式設置功能的定時計數器，支持片內及外部中斷，內置可編程看門狗電路，支持休眠及待機等省電模式，16 K系統內可編程FLASH/512字節EEROM以及1 K字節RAM。

4 壓控恒流源的設計

壓控恒流源是系統的重要組成部分，它的功能是用電壓來控制電流的變化。由于系統對輸出電流大小和精度的要求比較高，所以選好壓控恒流源電路顯得特別重要。壓控恒流源電路原理如圖2所示。

該恒流源電路由運算放大器、大功率場效應管Q1、采樣電阻R2、負載電阻RL等組成，恒流源電流大小的控制端為UI。這個電壓是ATmega16單片機通過程序控制的DAC部件輸出，這樣可以通過程序調節DAC輸出控制UI的大小，從而來控制此電流源的電流大小。硬件設計電路中用功率場效應管IRF640來做控制管，一方面滿足輸出電流2Amax的設計要求，另一方面實現UI電壓線性控制場效應管通路電流。這個電路的工作原理是場效應管工作于飽和區，漏電流Id與電壓Ugs控制的電流是線性關系。換言之，設Ud為常數，滿足Id=f（Ugs）.要想使Id為恒流，只要控制Ugs恒壓即可。在這個電路中，R2作為取樣電阻存在，用來平衡恒流源的變化以及反饋單片機ATmega16的信號源。

5 總結

ATmega16單片機作為中央控制器，與外置的DAC部件配合，通過鍵盤輸入設置恒流的數值，單片機解析出來對應的內部數值，送入外置的DAC部件；DAC部件對應輸出相應的電壓UI，UI的大小直接決定了壓控恒流源的帶載能力。本系統有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單的特點。本系統最大恒流電流可以設置到2Amax，最小可步進1 mA，具有恒流范圍寬、恒流精度好的特點。

參考文獻

[1]王詢，鹿霞，向波.大功率LED恒流源調光電路設計[J].科技資訊，2011（32）：91-92，94.

[2]孫江濤.基于ATmega16的斷路器機械特性測試儀的研制[D].大連：大連理工大學，2009.

[3]秦玲，賴青貴，張良，等.基于運算放大器的壓控恒流源[J].強激光與粒子束，2010（03）：553-556.

〔編輯：劉曉芳〕