基于單片機控制的高精密直流電流源的設計

高精密電流源能為精密儀器提供精度較高的電流供給，適用于半導體和材料科學研究中各種電阻的自動測量任務。具體應用中，對電流源的精度、可控性要求較高，使用單片機控制的高精密電流源設計，相對于現(xiàn)行的其他設計方法而言，可以較好地滿足上述要求，并且具有設計容易、性價比高、開發(fā)周期短等特點。本設計使用了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S系列高性價比的52單片機進行設計，體積輕小，實用性強，具有很好的應用前景。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本設計通過AT89S52單片機實現(xiàn)對D／A轉換芯片DAC714和A／D轉換芯片TLC2543的控制，來產(chǎn)生直流電壓信號，經(jīng)輸出采樣電路的電壓／電流轉換、放大，輸出穩(wěn)定的直流電流。系統(tǒng)中使用D／A輸出、A／D采樣，與主控單片機形成閉環(huán)控制系統(tǒng)?？捎面I盤進行電流數(shù)值設定，用LED(發(fā)光二極管)進行顯示。如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1鍵盤及顯示電路

預設電流值用44矩陣鍵盤進行輸入，用P0口進行掃描，因單片機的I／O口比較充裕，所以采用性價比較高的三-八譯碼方式對4個獨立的7段LED進行譯碼和驅動，74LS138譯碼器多余引腳用做擴展端預留。具體接法如圖2所示。

2.2閉環(huán)系統(tǒng)

以AT89S52單片機作為控制核心，用P2.0～P2.3作為DAC714的時序控制線，用P2.4～P2.7作為TLC2543的時序控制線。其接口電路如圖3所示。

DAC714輸出引腳VOUT根據(jù)單片機寫入的數(shù)據(jù)輸出直流電壓，然后經(jīng)輸出采樣電路，使負載獲得直流電流，為了讓負載獲得精確的直流電流，通過TLC2543采樣電阻R0上的電壓得到采樣數(shù)據(jù)并送入單片機，單片機通過算法更新寫入DAC714的數(shù)據(jù)，從而更新輸出電流，保證了負載的穩(wěn)定。輸出采樣電路如圖4所示。

謹慎選取和焊接采樣電路中R0、T1、L幾個關鍵元件是本系統(tǒng)的重點，圖中采樣電阻R0必須使用高精密大功率電阻，因為R0在電路中有兩大作用：一是通過R0將電壓轉換為電流，如果R0精度過低，將直接引起輸出電流偏離預設值；二是TLC2543通過采樣R0上的電壓值為單片機進行閉環(huán)控制提供數(shù)據(jù)。因本設計最大輸出電流為5 A，所以R0的功率應足夠大。本系統(tǒng)用的是精度為0.1％、功率為25 W的1 Ω精密電阻，因TLC2543采樣輸入腳和運放OP07負輸入端的輸入電阻均為兆歐級以上，所以TLC2543對R0采樣時不會有任何影響。電路中T1也應選取大功率管，本系統(tǒng)采用集電極電流可達25 A、集電極耗散功率為120 W的NPN型管2SD2256。電路中L應選取電感量較大和承受電流值較大的電感，以達到良好的濾波效果。

在實際連接此電路時，接地的方法對輸出電流將產(chǎn)生很大影響，因為負載RL上的電流等于R0上的電流，而R0上的電流值等于DAC714輸出電壓除以R0的阻值，假設DAC714輸出電壓為1 V，R0的一端到地的電阻為0.1Ω，則R0上的電流值為：IR0=1／(1+0.1)=0.91 A，與預設值1 A相差0.09 A。由此可見，若電路接地方法不當將引起很大的誤差結果。所以，在本設計中，適合采用單點接地，且各接地線應盡量短和粗。同時，使用散熱片對R0和T1進行良好的散熱。

3 閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)恒流控制過程

TLC2543第14腳REF+為模擬輸入的正基準電壓端，13腳REF-為負基準電壓端，這2只引腳的電壓差決定了最大輸入電壓值。本系統(tǒng)將REF+接于+5 V，REF-接于0V，所以VmaxIN=VREF+-VREF-=5 V。DAC714被設置為輸出0～+10 V。表1為DAC714工作于單極0～+10 V輸出模式下的數(shù)據(jù)輸入與輸出電壓對應關系。表2為TLC2543輸入電壓與輸出數(shù)據(jù)的對應關系。

由表1可知，當DAC714工作在單極0～10 V輸出模式時，輸出電壓分辨率為10／216≈0.153 mV。由于本系統(tǒng)輸出電流為0～5 A，所以只使用表1中8000H～FFFFH與輸出的對應關系。由表2可知，TLC2543的分辨率為5／212≈1.22 mV。

下面以一例詳細介紹系統(tǒng)閉環(huán)控制原理及過程，如圖5所示。

圖中：Iuser為用戶預設電流值；Icrrent為當前實際輸出電流值；Cuscr為用戶預設電流值的初始控制數(shù)據(jù)；Cin為單片機寫入：DAC714的控制數(shù)據(jù)字；Cout為TLC2543采樣數(shù)據(jù)；Cerror為TLC2543采樣值與預設值的誤差，初始值為0。

由圖5中的算法可見，該閉環(huán)控制電路能有效地更正因各種原因產(chǎn)生的輸出誤差，保證了電流源的穩(wěn)定度和精度。在進行數(shù)據(jù)測試時發(fā)現(xiàn)，當用戶鍵人預設值并按確定后，輸出電流在前2 s內不斷更新，3 s后輸出電流基本穩(wěn)定不變，僅有第4位稍有跳變，即輸出精度為10-3A。可見，由于系統(tǒng)內、外部引起的誤差是存在的，但經(jīng)過閉環(huán)系統(tǒng)的控制穩(wěn)定了輸出。

4 單片機軟件設計

圖6為系統(tǒng)軟件設計流程圖。

上電后，單片機首先初始化，顯示初始值為0，其次掃描鍵盤，查看是否有鍵按下，有鍵按下則進行按鍵處理，然后送顯示數(shù)據(jù)到LED，接著寫入到DAC714的控制字，即為LED顯示值的對應數(shù)據(jù)，單片機再通過TLC2543采樣數(shù)據(jù)，并對采樣值、預設值進行運算和處理，更新顯示、輸出等有關數(shù)據(jù)。

5 結束語

本文闡述了利用單片機進行高精密直流電流源的設計過程，所設計的電流源精度為電流值10-3A。驗證通過，性能穩(wěn)定，適用于半導體和材料科學研究中各種電阻的自動測量任務。此外，D／A與A／D配合使用的方法及相關算法適用于其他同類應用，也具有很好的實用性和通用性。