基于单片机和TLC549的数控直流电流源的设计

引言

随着当前电子产业日新月异的进步，很多电子产品对电流源的要求也提高了。

本文介绍的电流源是以微控制器为核心，系统由单片机、A/D转换器、D/A转换器和功率放大器组成。单片机通过D/A转换器来控制功率放大器输出电压，通过取样电阻和A/D转换器回检负载电流，采用积分控制方法，调节电流输出。该系统输出直流电压≤15V，输出电流范围为100mA～3000mA。本系统具有多种保护功能(开路、过载等)，可以通过编辑键盘的方式来调节输出电流的大小，输出电流值会在数码管上显示;本系统同时也有多种工作方式，可作为单机使用，比较方便，也可与主机连接，在主机上的界面可以设置电流的输出值，当与主机通过串口连接时，本系统的其他参数也会传输给主机，如以上提到的保护功能参数，使得主机的控制更加灵活。

1、设计基本要求

在输入交流电压为200V～240V、频率为50HZ的情况下，设计并实现一个数控直流电流源，具体要求如下：系统输出直流电压≤15V，输出电流要大于100mA小于3000mA，其具备显示给定的电流输出值;具有步进调整功能，步进值为±20mA;通过改变负载的大小，能使输出的电压值保持15V以内的变化，其精度的要求是绝对值的输出电流变化应该小于等于系统输出参数的5%+10mA.

2、系统实现框图

该系统的整体框图如图1所示。

图1系统整体框图

2.1、A/D、D/A转换器的选取

在本系统中DAC0832其实可以最少达到7.5mA以上的行程量，只要达到100个采样数据，其余的不怎么用的采样可以去被除，本系统我们所要求的输出电流范围是100~3000mA;数模转换芯片的位数数量决定了步进量的大小，例如也可以选择8位或8位以上的数模转换器;因为DAC0832的特性，它在实现电流到电压的切换时需要在后端加一个跟踪器，因它是输出型的转换器。

设计要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的5%+10mA。，要达到这一要求，也需要8位以上的A/D转换器。同时考虑到数字反馈的速度，要求A/D转换器的速度不能低。而TLC549为8位A/D转换器，转换时间最大为17uS，最大误差为±0.5LSB，所以A/D转换器选择8位串行输出的TLC549。

2.2、功率放大器的选取

设计要求最大输出电流2A，最大输出电压15V，则最大输出功率达到30W。首先，只能选择线性功放，而不可选择D类功放;其次，功放的容量也要求足够大。以50%来考虑功放的效率，则至少需要选择60W功率输出的功放，考虑到裕量和稳流能力，功放功率要求还要高;综合这些因素，选择了80W大功率运算放大器LM12。

2.3、调节算法分析

本系统输出值不稳定时，它应该可以随时调节自身的参数以达到稳定的输出;因数据采样反应的时间受到A/D采样的速度以及软件调节的速度限制，数据采样有时候不一定就比模拟反馈的速度快。而对于低速的单片机系统来讲，反馈调节的软件耗时更成为调节速度的瓶颈。

通过分析控制理论系统，有一种调节手段是可以全面速度型及稳定无差性的采用，那就是积分加比例，而本系统并不一定适用;该方案使用的高度密集采样去控制，因控制的对象是电流，主芯片为51系列单片机，如使用常数比例控制，它的高速性将完全丢失，同时还要无法被阻挡的去做乘法计算，使得单片机的时间将被极大的消耗。

2.4、抑制纹波的措施

1、从电源变压器考虑需要进行滤波，因工频的扰动主要从这里进入的，因此需要在电源侧进行滤波，同时这也是非常必须的和非常有用的，该方案的两个电源都采用有效的滤波方案，可以采用三极管的方式。

2、通过同轴电线的连接可以使PCB之间的模拟信号传输，该方案中的PCB之间有两处模拟信号的连通，D/A转变器提供功率放大电路的输入信号和取样电阻两端输出至A/D转换器的取样电压信号。

3、采用供电电源是高电压，同时功率放大器的功率要必须大，系统的输出电流是基本全部从自身的功率放大器，其功率和负载的大小、纹波的波动对输出电流有很大的影响，所以功率放大器的功率需要充足的大，电源供应的电压尽量提升。因此，本设计选用80W大功率放大器LM12，并以±30V供电。

4、注意电路板的地线的处理。各电路板地线都敷铜加粗，接地遵循多点接地和就近接地的原则。

2.5、数控电路的实现

数字控制电路的常用方案就是用主芯片8051去控制数字模拟转化器DAC0832的方式来使用，当主芯片一边监控按键盘一边就会显示目前的输出电压值，同时向数字模拟转化器输出目前的设定值;当按键盘中的控制输出电压的加减键被操作时，主芯片便对设置的值进行相应的增加操作，同时将变化后的设置值传输给数字模拟转换器，刷新输出电压为目前设定值。

通过取样电阻采样与AD620放大后，送入TLC549，其时钟信号由单片机给出，通过适当的程序加以控制，TLC549通过串口输出数字量给单片机，单片机接收后通过程序控制并加以显示，实现了数控过程。

3、系统软件设计

3.1、程序结构

为了让尽可能多的CPU时间来进行反馈控制，程序尽量精简结构，只完成必要的简单的输入输出。采样控制算法放在0.5ms中断中，只进行A/D采样、比较判断和D/A输出。键值处理放在外部中断中，显示刷新放在主循环中，以较低的刷新率进行显示刷新。同时程序中尽量不做乘除法或浮点运算。环中，以较低的刷新率进行显示刷新。同时程序中尽量不做乘除法或浮点运算。

3.2、流程图

图2 程序设计流程图

4、测试结果

表1测试表

从表中数据可知，最大误差为0.43%小于1%的误差范围，达到设计的要求。

5、结论

在设计制作数控直流电流源的过程中，深刻感受到理论和实践的重要性。本方案的设计主要使用到了模拟控制技术、数字控制技术、单片机控制技术、功率放大器及电源的设计、电子生产工艺等多方面的知识，所设计的基于8051主芯片软件控制的直流电流源，满足了设计的目标。最后的实际测试数据说明，该方案的输出电流比较稳定，对负载和环境温度等因素的影响变化较小，输出的精度高，输出电流的误差范围±15mA，输出电流可在100mA~3000mA幅度内随意设定，因此可以实际使用于需求高稳定的小功率电流源方面。