基于单片机控制的高精密直流电流源的设计

高精密电流源能为精密仪器提供精度较高的电流供给，适用于半导体和材料科学研究中各种电阻的自动测量任务。具体应用中，对电流源的精度、可控性要求较高，使用单片机控制的高精密电流源设计，相对于现行的其他设计方法而言，可以较好地满足上述要求，并且具有设计容易、性价比高、开发周期短等特点。本设计使用了ATMEL公司生产的AT89S系列高性价比的52单片机进行设计，体积轻小，实用性强，具有很好的应用前景。

    1 系统组成及工作原理

    本设计通过单片机实现对D／A转换芯片DAC714和A／D转换芯片TLC2543的控制，来产生直流电压信号，经输出采样电路的电压／电流转换、放大，输出稳定的直流电流。系统中使用D／A输出、A／D采样，与主控单片机形成闭环控制系统。可用键盘进行电流数值设定，用LED(发光二极管)进行显示。如图1所示。

    2 系统硬件电路设计

    2.1键盘及显示电路

    预设电流值用4×4矩阵键盘进行输入，用P0口进行扫描，因单片机的I／O口比较充裕，所以采用性价比较高的三-八译码方式对4个独立的7段LED进行译码和驱动，74LS138译码器多余引脚用做扩展端预留。具体接法如图2所示。

    2.2闭环系统

    以单片机作为控制核心，用P2.0～P2.3作为DAC714的时序控制线，用P2.4～P2.7作为的时序控制线。其接口电路如图3所示。

    DAC714输出引脚VOUT根据单片机写入的数据输出直流电压，然后经输出采样电路，使负载获得直流电流，为了让负载获得精确的直流电流，通过TLC2543采样电阻R0上的电压得到采样数据并送入单片机，单片机通过算法更新写入DAC714的数据，从而更新输出电流，保证了负载的稳定。输出采样电路如图4所示。

    谨慎选取和焊接采样电路中R0、T1、L几个关键元件是本系统的重点，图中采样电阻R0必须使用高精密大功率电阻，因为R0在电路中有两大作用：一是通过R0将电压转换为电流，如果R0精度过低，将直接引起输出电流偏离预设值；二是TLC2543通过采样R0上的电压值为单片机进行闭环控制提供数据。因本设计最大输出电流为5 A，所以R0的功率应足够大。本系统用的是精度为0.1％、功率为25 W的1 Ω精密电阻，因TLC2543采样输入脚和运放负输入端的输入电阻均为兆欧级以上，所以TLC2543对R0采样时不会有任何影响。电路中T1也应选取大功率管，本系统采用集电极电流可达25 A、集电极耗散功率为120 W的NPN型管2SD2256。电路中L应选取电感量较大和承受电流值较大的电感，以达到良好的滤波效果。

    在实际连接此电路时，接地的方法对输出电流将产生很大影响，因为负载RL上的电流等于R0上的电流，而R0上的电流值等于DAC714输出电压除以R0的阻值，假设DAC714输出电压为1 V，R0的一端到地的电阻为0.1Ω，则R0上的电流值为：IR0=1／(1+0.1)=0.91 A，与预设值1 A相差0.09 A。由此可见，若电路接地方法不当将引起很大的误差结果。所以，在本设计中，适合采用单点接地，且各接地线应尽量短和粗。同时，使用散热片对R0和T1进行良好的散热。

    3 闭环系统实现恒流控制过程

    TLC2543第14脚REF+为模拟输入的正基准电压端，13脚REF-为负基准电压端，这2只引脚的电压差决定了最大输入电压值。本系统将REF+接于+5 V，REF-接于0V，所以VmaxIN=VREF+-VREF-=5 V。DAC714被设置为输出0～+10 V。表1为DAC714工作于单极0～+10 V输出模式下的数据输入与输出电压对应关系。表2为TLC2543输入电压与输出数据的对应关系。

    由表1可知，当DAC714工作在单极0～10 V输出模式时，输出电压分辨率为10／216≈0.153 mV。由于本系统输出电流为0～5 A，所以只使用表1中8000H～FFFFH与输出的对应关系。由表2可知，TLC2543的分辨率为5／212≈1.22 mV。

    下面以一例详细介绍系统闭环控制原理及过程，如图5所示。

     图中：Iuser为用户预设电流值；Icrrent为当前实际输出电流值；Cuscr为用户预设电流值的初始控制数据；Cin为单片机写入：DAC714的控制数据字；Cout为TLC2543采样数据；Cerror为TLC2543采样值与预设值的误差，初始值为0。

    由图5中的算法可见，该闭环控制电路能有效地更正因各种原因产生的输出误差，保证了电流源的稳定度和精度。在进行数据测试时发现，当用户键人预设值并按确定后，输出电流在前2 s内不断更新，3 s后输出电流基本稳定不变，仅有第4位稍有跳变，即输出精度为10-3A。可见，由于系统内、外部引起的误差是存在的，但经过闭环系统的控制稳定了输出。

    4 单片机软件设计

    图6为系统软件设计流程图。

    上电后，单片机首先初始化，显示初始值为0，其次扫描键盘，查看是否有键按下，有键按下则进行按键处理，然后送显示数据到LED，接着写入到DAC714的控制字，即为LED显示值的对应数据，单片机再通过TLC2543采样数据，并对采样值、预设值进行运算和处理，更新显示、输出等有关数据。

    5 结束语

    本文阐述了利用单片机进行高精密直流电流源的设计过程，所设计的电流源精度为电流值10-3A。验证通过，性能稳定，适用于半导体和材料科学研究中各种电阻的自动测量任务。此外，D／A与A／D配合使用的方法及相关算法适用于其他同类应用，也具有很好的实用性和通用性