一种基于单片机的数控直流恒流源的设计

引 言

恒流源也称电流源或稳流源。能够向负载提供恒定电流的电源称作恒流源。理想的恒流源其输出是绝对不变的，但实际的恒流源只能在一定范围内保持输出电流的稳定性[1-2]。目前，恒流源被广泛用于传感技术、电子测量仪器、现代通信、激光、超导等高新技术领域、并且有良好的发展前景。

2 系统组成和工作原理

2.1 系统的组成

本数控恒流源系统可分为单片机控制部分、变压整流和供电部分、A/D和D/A转换电路、恒流源电路、键盘或显示器接口电路等几部分组成。系统框图如图1所示。

2.2 系统工作原理

系统采用AT89C55单片机为核心，控制、比较调整单元基准的变化，实现高精密电压控制。交流电压经变压，整流，滤波，稳压后通过78,79系列稳压管输出提供电路所需电压，CPU根据预置开关设定的数据或键盘输入的数据，计算出相应的基准电压值，送给DAC0832转换成模拟电压，再送主控电路通过反馈控制，使电流稳定输出。在经过ADC0809转换成数字信号输出单片机。由按钮选择配合软件分别实现设定值与测试值的交替显示。

控制核心采用单片机INTEL89C55，用此来控制提高了精度，人工干预自由度大，功能扩展，升级余地比较大，兼容性强，成本低廉，易于制作，生产。采样部分使用运算放大器具有很大的电源电压控制化，可以大大减少输出端的纹波电流。显示部分采用键盘/显示器接口控制器8279，不仅简化接口电路，而且还减少了软件对键盘/显示器的查询时间，提高了CPU的利用率。

3 主要电路设计与计算

3.1 变压整流和供电部分

供电部分输出200～240V，50HZ的交流电，经过变压器的变压，整流，滤波，得到系统所需的三种电压：+5V,+12V,-12V。主要是供数控部分和D/A转换芯片使用电源，同时也是稳压输出电路的主电源。系统框图如图2所示。

对于滤波电容的选择，要考虑：整流管的压降;7812/7912/7815/7805的最小允许压降为Ud;电网波动为10%，所以考虑电容为4700μF/16V。因7815和7812负载重功率大，所以应加装散热器;电源为了使输出的电流纹波≤0.2mA ，在稳压器的输出端都加上了滤波器，来除去电流的纹波。

图2 变压整流和供电部分的系统框图

3.2 恒流源电路

单片机的输出经过D/A转换为模拟信号后，经过双运放集成块放大后，再经过MOS管(2SK1062，N沟道)引入深度电流负反馈。引入电流负反馈可以稳定输出电流，提高放大倍数的稳定性，扩展频带，减小非线性失真[3]。采用场效应管的优点是双极性晶体管输出几乎是不可取电流，而MOS管电压与电流控制范围好，应而输出电阻较高，并且低噪声抗辐射，热稳定性以及功耗小等优点。电路如图3所示

图3 恒流源电流

场效应管与BJT最基本的差别在于场效应管是电压控制元件，输出漏极电流是由输出栅极电压控制的。跨导定义为：

(1)

式中：Id为输出电流 ，Vgs为输出电压。从栅极看进去的输入电阻近似为无穷大，漏极电流可以忽略不计。负载电阻改变及纹波电流的抑制均由深度电流负反馈来实现。输出电流范围在0.02～2A，如取样电阻Rs为5Ω，则输出电压在0.1～10V之间进行改变。改变负载电阻Rf时，输出电压在10V以内变化时，输出电流变化范围为≤输出电流值1%+1mA。供电采用+12V电压供电，用一个4.7μF的电解电容和一个0.1μF的瓷片电容去耦。[page]

3.3 数控部分

89C51单片机基本系统：数控核心采用89C55单片机与EEPROM ,RAM，地址锁存器74LS373组成单片机的基本系统，并对P2口的P2.0经74LS138地址译码后作为8279的选通信号。在89C51引脚X1和X2接入晶振Y1和微调电容C5,C6就构成了时钟电路，值为12MHZ[4-5]。

系统采用了上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，操作按钮开关10使单片机复位。上电自动复位通过外部复位电容C4的充电来实现。按键手动复位是通过复位端经电阻和Vcc接通来实现。

键盘为8×2按键式键盘，当有按下时，向CPU申请中断，CPU在中断程序中读取键盘编码，作相应处理。0-9号按键用来输入0.02～2A的预置电流，在输出端输出相对应的电流，10号按键为单片机手动复位清零键。

键盘/显示接口电路：在设计键盘/显示接口电路时，使用8279键盘/显示控制器，它能实现对键盘的自动扫描，并对显示器进行自动刷新。

4 电路测试与分析

4.1 测试方法

测试所用仪器：数字万用表，外接220V交流电源，低频毫伏表。测试方法框图如图4所示。图中RL为负载电阻，RS为取样电阻，0.5Ω。

用万用表测1和2两端的值为实测电流值;用低频毫伏表测3和4两端的值为输出纹波电压值。误差百分率测试：为了比较测量值和真实值的误差，我们在20～2000mA之间选定了六个值相比较，测量数据记录如表1所示，误差百分率计算公式为：

(2)

式中：I1为显示值，I2为测量值。

图4 测试方法框图

4.2 测试结果记录

负载为5Ω时，输出电流预置值、显示值和测试值的对照表，见表1所示。

表1 显示值与测量值对照表(RL=5Ω)

当改变负载电阻（RL=20Ω）时对恒流值的影响，其测试数据如表2所示。

表2　当RL=20Ω时，测试数据记录表

4.3 误差分析

从测量结果来看，系统的误差主要来源于：

⑴ 运算放大器和MOS管的电流放大倍数不够大或者不稳定;

⑵D/A 转换器和A/D转换器存在一定的量化误差;

⑶取样电阻可能因温度的变化引起了误差;

⑷基准电压的稳漂引起的误差。

5 结论

本文是以AT89C55单片机为核心控制部件，通过由运算放大器和功率放大电路组成电流负反馈系统，来完成输出电流的控制和恒定，从而提高了系统的精度。它的输出电流可在0.02～2A之间变化，随负载和环境温度变化较小。该系统电路简单、成本低、功耗小、可靠性高,具有较为广阔的市场前景和应用价值。