簡易數(shù)字控制恒流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)

摘要：設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)C8051F020為控制核心的簡易數(shù)控恒流源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電流從-2A到2A數(shù)字控制可調(diào)的直流恒流系統(tǒng)。系統(tǒng)電源部分采用大功率變壓器供電，采用多級(jí)電容、π網(wǎng)絡(luò)濾除紋波干擾；電源輸出部分采用三端穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，并且利用大功率達(dá)林頓管進(jìn)行擴(kuò)流以滿足后級(jí)功率需求。恒流源部分采用多個(gè)精密運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成閉環(huán)反饋控制形式，從而提高控制精度。受控部分采用達(dá)林頓管進(jìn)行擴(kuò)流和精確設(shè)定輸出電流。電流測(cè)量部分采用康錳銅電阻絲作為精密取樣電阻，而不受外界溫度變化的影響；系統(tǒng)的顯示部分采用128×64點(diǎn)陣式液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示設(shè)定電流值和實(shí)測(cè)電流值。數(shù)控恒流源具有控制界面直觀、簡潔的特點(diǎn)，具有良好的人機(jī)交互性能。
關(guān)鍵詞：恒流源；C8051F020；數(shù)字控制；穩(wěn)壓；擴(kuò)流

0 引言
所謂恒流源就是輸出電流非常穩(wěn)定的電源，但是這個(gè)穩(wěn)定是相對(duì)的，而非絕對(duì)一成不變的，只是它的變化率小到在實(shí)際應(yīng)用中可以忽略。輸出電流發(fā)生變化的原因主要有以下幾個(gè)方面：1)恒流源本身?xiàng)l件所決定的。構(gòu)成恒流源的元器件質(zhì)量失效或者參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，參數(shù)就有可能引起電流波動(dòng)。2)恒流源系統(tǒng)受外界環(huán)境的影響而使電流輸出發(fā)生變化。3)電網(wǎng)供電電壓不穩(wěn)定所致。4)供電負(fù)載發(fā)生變化。比如負(fù)載短路或者空載時(shí)，負(fù)載電流非常大或沒有。在本文中數(shù)控恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要針對(duì)以上第一和第二個(gè)因素設(shè)計(jì)了基于數(shù)字控制的恒流源系統(tǒng)，從而提高恒流源輸出電流的精度。

1 簡易數(shù)制電流源系統(tǒng)工作原理介紹
本論文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的數(shù)控恒流源，此系統(tǒng)由恒流源主電路和單片機(jī)最小系統(tǒng)組成，外圍電路還包括自制電源供電電路、LCD顯示電路、R232接口電路以及4×4矩陣鍵盤設(shè)置電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中單片機(jī)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020，單片機(jī)內(nèi)部自帶A／D和D／A轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)內(nèi)部還設(shè)置了串口通訊功能。

1．1 恒流源電路設(shè)計(jì)
恒流源部分要求輸出最大電流達(dá)2000 mA，輸出最大電壓達(dá)到10 V，所以需要供電電壓穩(wěn)定，紋波電流要求很小，因此對(duì)電源的要求較高，主要是對(duì)電源的功率和紋波電壓的要求高。如果采用全橋整流加電容濾波電路，該電源將通過變壓器的低壓交流電變?yōu)榫哂姓?fù)對(duì)稱輸出的直流電，實(shí)際輸出電壓為±20V左右。采用100nF和1．0μF電容濾除電源中的高頻交流成分，后級(jí)濾波電容選用了10000μF提高續(xù)流能力。這種電路多見于要求不高的直流電源中，其驅(qū)動(dòng)能力和后級(jí)的濾波電容有關(guān)，該電源電路無法持續(xù)提供大電流輸出。如果選用采用三端穩(wěn)壓集成電路，三端集成穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓效果較好，但其難以達(dá)到2000mA以上的大電流輸出，為了滿足本恒流源需要，可以采用多塊集成穩(wěn)壓芯片并聯(lián)的方式來擴(kuò)流，理論上這種電路輸出的電流為各穩(wěn)壓芯片輸出電流之和。要達(dá)到比較好的穩(wěn)壓效果，要求并聯(lián)的各穩(wěn)壓芯片參數(shù)盡量接近。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于器件的不一致性，當(dāng)電流接近最大電流值時(shí)，穩(wěn)壓效果急劇變差。因此，要取得好的穩(wěn)壓效果，需要電路輸出最大電流值要大于所需電流值，這必會(huì)造成器件的浪費(fèi)，且各穩(wěn)壓芯片的參數(shù)必須盡量接近。最后選用三端穩(wěn)壓芯片電路外接擴(kuò)流管的形式。這種電路既充分利用了穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓性能，又能借助擴(kuò)流管輸出較大的電流，廣泛使用于一些高精度的線性穩(wěn)壓電源中，其基本設(shè)計(jì)電路如圖2所示。圖2中采用三端穩(wěn)壓芯片LM7815和LM7915驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管TIP127和TIP122，該管最大集電極電流為8A。圖2所示的電路很大部分電流從擴(kuò)流管流過，只有很少部分電流直接流過穩(wěn)壓管，當(dāng)電流為3A左右時(shí)，輸出電壓也幾乎不變，性能優(yōu)越。