程控高精度四象限電源的設(shè)計

金佛榮，李志杰，鄭天云

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院，甘肅 天水 741025)

0　引言

高精度的電源是科學(xué)試驗及電子產(chǎn)品研發(fā)、測試必不可少的工具[1]，不同于普通電源的伏安特性曲線工作的一、三象限，四象限電源的伏安特性曲線可以工作在四個象限，可以使測試工作變得便捷，從而省去搭建測試平臺所需的人力財力[2]。目前我國市場上高精度電源被國外產(chǎn)品壟斷，可用于測試實驗的四象限電源處于空白狀態(tài)，針對這種現(xiàn)狀，進行了高精度程控四象限電源的研制工作，通過大量的理論分析與測試，掌握提高電源精度及四象限工作的核心技術(shù)，最終開發(fā)出樣機，為打破國外產(chǎn)品對我國市場的壟斷奠定基礎(chǔ)。

1　總體設(shè)計

采用硬件反饋、閉環(huán)控制、經(jīng)驗數(shù)據(jù)修正、選擇低溫漂的器件及科學(xué)的PCB布局布線來提高精度和可靠性[3-4]；通過雙極性放大電路解決四象限輸出問題，借助大功率運放解決功率問題；通過使用高精度、高穩(wěn)定性的18位A/D和16位D/A提高分辨率，最終制做出指標(biāo)達標(biāo)的樣機[5-6]。如圖1所示，電源的電路包括數(shù)字電路和模擬電路兩部分。數(shù)字部分主要完成目標(biāo)值設(shè)置及顯示、通過控制算法計算相應(yīng)DA值并向模擬電路輸出DA值、回讀模擬電路的AD值、通過控制信號線控制繼電器完成電流模式及電壓模式的切換，以及電源輸出的關(guān)閉與開啟。模擬電路主要實現(xiàn)DA信號的放大、電流電壓的輸出、取樣、硬件反饋及輸出調(diào)整、過流過壓保護[7-8]。

圖1　數(shù)字電路和模擬電路信號關(guān)系

2　電源的電路設(shè)計

2.1　數(shù)字電路設(shè)計

數(shù)字電路的設(shè)計框圖如圖2所示。主要由CPU、AD/DA轉(zhuǎn)換電路、鍵盤、數(shù)字旋鈕、串口、數(shù)碼管和指示燈構(gòu)成。CPU選用STM32F104，因為該芯片內(nèi)核是ARM公司為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的Cortex-M內(nèi)核，具有標(biāo)準(zhǔn)的ARM架構(gòu)和高性能、低電壓、低功耗、創(chuàng)新的內(nèi)核以及外設(shè)、簡單易用、自由、低風(fēng)險的特點[9-10]。

圖2　數(shù)字電路組成

AD選用ADS1256，ADS1256 是TI 公司Burr-Brown 產(chǎn)品線推出的微功耗、高精度、8 通道、24 位△-Σ型高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。該器件提供高達23 bit的無噪聲精度、數(shù)據(jù)速率高達30 ksps(次采樣/s)、0.001 0%非線性特性(最大值)以及眾多的板上外設(shè)(輸入模擬多路開關(guān)、輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器等)，可帶來完整而高分辨率的量測解決方案[11-12]。

DA選用DAC8562，DAC8562是一款完整的并行輸入、16位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用+5 V單電源供電。這些單芯片DAC采用CBCMOS工藝制造，適合僅有+5 V電源的系統(tǒng)，具有成本低、易于使用的特點。 除DAC外，片內(nèi)還集成了一個軌到軌放大器、鎖存器和基準(zhǔn)電壓源。基準(zhǔn)電壓(REFOUT)調(diào)整至2.5 V，片內(nèi)放大器則將DAC輸出提升至4.095 V滿量程。用戶只需提供+5 V電源。DAC8562采用標(biāo)準(zhǔn)二進制編碼方式。運算放大器輸出擺幅為0 ～+4.095 V，分辨率為每位1 mV，能夠驅(qū)動±5 mA電流。由于采用低溫度系數(shù)硅鉻薄膜電阻，因此相對于數(shù)字輸入碼的線性度誤差性能十分出色。高速并行數(shù)字接口可以與最快的處理器連接，并且處理器無需等待。該接口非常簡單，只需一個CE 信號。異步CLR 輸入可將輸出設(shè)置為零電平[13-14]。

鍵盤的設(shè)計示意圖如圖3所示。除數(shù)字鍵和小數(shù)點外，當(dāng)設(shè)置錯誤時，用重置鍵刪除數(shù)字并重新輸入，Enter鍵表示確認設(shè)置有效，IS/US用來切換恒流模式、恒壓模式，串口用來進入和退出串口(當(dāng)進入串口后，可以用上位機進行設(shè)置)，OUT用來開啟和關(guān)閉輸出。數(shù)字鍵控制某一個變量，IS/US控制某一繼電器，用來接通電流采樣或電壓采樣。

圖3　鍵盤設(shè)計示意

數(shù)碼管使用了4個8位數(shù)碼管，分別顯示設(shè)置電壓、回讀電壓、設(shè)置電流和回讀電流。預(yù)設(shè)5個指示燈：電源指示燈、信號輸出指示燈、電壓模式指示燈、電流模式指示燈和串口模式指示燈。當(dāng)按下串口鍵時，鍵盤設(shè)置失靈，將由上位機通過串口設(shè)置和回讀電流電壓，再次按串口鍵時，退出串口模式。

2.2　電路模擬設(shè)計

模擬部分電路設(shè)計是該作品的核心，模擬電路的原理如圖4所示，通過框圖說明電源的四象限工作原理及恒流恒壓原理。主回路A1、緩沖器、Si、Ri和反饋回路A3、S1、A2構(gòu)成負反饋恒流回路，負反饋穩(wěn)定后，VI+VF= 0。其中，VI為預(yù)設(shè)電流對應(yīng)的電壓數(shù)值[15-16]。

由疊加原理：

成立。將VP=VQ+VRi代入上式，綜合求得：

VS=VS1+VS2=

模擬電路原理如圖4所示。

圖4　模擬電路原理

主回路A1、緩沖器和反饋回路A5、A4、反向器、A2構(gòu)成負反饋回路。由負反饋回路電路特性可知，當(dāng)電路達到穩(wěn)定且R1=R2，必有VI+VF=0 成立，因為VI和VF的任何偏差都會引起負反饋，自動達到平衡，最終使得VI+VF=0 成立。因此有

如果R4=R5，并且VI=-VF，簡化上式得：

由于R10和RV是固定值，通過調(diào)節(jié)VI輸入，就可以得到不同的VO值。也可以理解為，因為VI是恒定值，所以VO也是恒定值[17-18]。S1、S2、S3、S4為模式切換開關(guān)，通過繼電器控制開關(guān)的閉合。當(dāng)S1、S4閉合，S2、S3斷開時將以電流取樣作為反饋信號，所示為恒流模式，電壓取樣信號將通過AD送到CPU并顯示。當(dāng)S2、S3閉合，S1、S4斷開時，將以電壓取樣作為反饋信號，所以為恒壓模式，電流取樣信號將通過ADC送到CPU并顯示。

3　軟件設(shè)計

根據(jù)電源的功能，定義了按鍵處理模塊、數(shù)碼管顯示模塊和輸出調(diào)整模塊3個大的軟件模塊，每個模塊的功能用一個函數(shù)來實現(xiàn)。按鍵處理模塊對鍵盤按鍵進行檢測，并返回鍵值，根據(jù)不同的鍵值調(diào)用不同的處理子函數(shù)，按鍵處理函數(shù)可以調(diào)用的子函數(shù)主要有目標(biāo)值設(shè)置函數(shù)、模式切換函數(shù)和輸出開關(guān)函數(shù)。數(shù)碼管顯示模塊實現(xiàn)數(shù)碼管的驅(qū)動。輸出調(diào)整模塊調(diào)用輸出調(diào)整函數(shù)，將輸出采樣值和目標(biāo)值進行比較，修正輸出結(jié)果[19]。軟件的主程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程

按鍵處理函數(shù)的流程圖如圖6所示。讀取鍵值，如果為數(shù)字鍵，則用該數(shù)字更新DA值；否則判斷是否為模式切換鍵，如果是模式切換鍵，則改變電源的工作模式；否則判斷是否為輸出開關(guān)鍵，如果是則改變輸出的閉合狀態(tài)；否則判斷是否為串口鍵，是則改變串口狀態(tài)；否則退出按鍵處理程序。輸出調(diào)整程序流程圖如圖7所示，先讀取AD值，與目標(biāo)值進行比較，計算出誤差，再將誤差帶入PID算法，調(diào)整電源的輸出[20-21]。

圖6　按鍵處理函數(shù)流程

圖7　輸出調(diào)整程序流程

4　實驗結(jié)果分析

對本文設(shè)計方案進行驗證，搭建的實驗系統(tǒng)如圖8所示。

圖8　實驗系統(tǒng)

該實驗系統(tǒng)由構(gòu)成樣機的各個硬件模塊及軟件構(gòu)成，具備樣機的全部功能，由于工藝較差，性能低于樣機，但可以通過該系統(tǒng)對樣機進行功能測試及性能評估。通過測試，實驗系統(tǒng)具備四象限工作功能，輸出電壓偏差<0.2%，輸出電流偏差<0.5%，最大功率32 W，電流輸出范圍為-1.1～+1.1 A，電壓輸出范圍為-31～+31 V。目前市場高精度電源的主要品牌有吉時利、安捷倫、福祿克和菊水等，這些均為國外品牌，其特點是精度高、性能穩(wěn)定，但價格非常高昂，而且除了日本菊水之外，其他廠家未見有四象限電源推廣，要做恒流測壓和恒壓測流實驗必須通過用電源、高精度電子負載、高精度萬用表搭建的平臺去完成。國內(nèi)儀器企業(yè)也未見有具備四象限功能的精密電源推出。該電源在達到目前市場上先進的傳統(tǒng)兩象限電源的精度外，還具備四象限功能，可以滿足測試實驗電源的技術(shù)要求，填補了市場空白。

5　結(jié)束語

本文電源是根據(jù)某國內(nèi)IC測試龍頭企業(yè)的需求而設(shè)計，經(jīng)驗證電源的性能參數(shù)符合設(shè)計要求。研制成功后首先在IC測試行業(yè)進行推廣，再逐漸向其他電子設(shè)計和測試領(lǐng)域推廣。由于該電源可以簡化很多電子測試工作且目前在市場上處于空白狀態(tài)，所以有較好的推廣前景。下一步將在獨立電源和作為IC測試機的電源板卡2個應(yīng)用方向進行研究，在獨立電源方面加強工藝與外觀設(shè)計，在電源板卡方面改進PCB板設(shè)計。