一种基于单片机的数控直流恒流源的设计

该数控直流恒流源采用模块化，通过开关和按钮的设置，配合INTEL AT89C55单片机的编程实现数字控制，数字显示，同时用DAC0832实现D/A转换，输出模拟控制电压，再用运放和功率三极管组成电流负反馈系统来完成输出电流控制及恒定。整个系统由单片机控制，输出部分使用运算放大器和功率放大器组成深度电流负反馈大大减少了输出端的电流波动，使系统输出电流误差<1mA，纹波电流≤0.2mA。

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。

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。