一種基于數(shù)字控制的直流電流源技術(shù)研究

直流電流源是電子技術(shù)常用的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于教學(xué)和科研等領(lǐng)域。然而傳統(tǒng)的模擬控制直流電流源功能簡單、精度低、體積大及讀數(shù)不方便，在對(duì)工作電流穩(wěn)定度、紋波電流大小等要求較高的領(lǐng)域(如電鍍、精密加工及激光器等)受到了限制。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)AT89S52的數(shù)控直流電流源很好地解決了以上模擬控制直流電流源的不足，它能輸出穩(wěn)定直流電流，并且可用數(shù)控方式調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電流。

直流電流源由恒流源、供電電源、數(shù)控系統(tǒng)三個(gè)部分組成。論文闡明了軟硬件設(shè)計(jì)依據(jù)，給出了系統(tǒng)功能和性能測試結(jié)果。

1 數(shù)字控制直流電源系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)了基于AT89S52數(shù)控直流電流源，由恒流源、供電系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)三個(gè)部分組成，其數(shù)控直流電流源系統(tǒng)框圖如圖1所示。恒流源主調(diào)整器采用了LM350、超低噪聲運(yùn)算放大器AD797和OP07及高性能錳銅采樣電阻等器件構(gòu)成負(fù)反饋電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流的精確控制。供電電源采用LM350、LM337、LM7805作為主穩(wěn)壓器，為整機(jī)提供了穩(wěn)定的直流供電；控制系統(tǒng)以89S52單片機(jī)為核心，高精度12位A/D芯片AD1674實(shí)現(xiàn)采樣輸入；12位D/A芯片DAC1230產(chǎn)生控制輸出，實(shí)現(xiàn)了輸出電流的精確設(shè)定和檢測，系統(tǒng)還設(shè)置了串口通信功能。

1.1 恒流源變換電路設(shè)計(jì)

常見的恒流源電路方案有[1]：脈沖調(diào)寬式和線性負(fù)反饋方式。其中脈沖調(diào)寬式恒流源電路目前應(yīng)用于空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信以及家用電器中。開關(guān)電源的調(diào)整器應(yīng)用成本工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小、效率高，可達(dá)70%～90%，應(yīng)用成本比較經(jīng)濟(jì)，但是紋波電流大、輻射干擾強(qiáng)、恒流精度低、設(shè)計(jì)困難。線性負(fù)反饋恒流源電路具有失真小、穩(wěn)定度高、紋波小等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于高精度場合，由于其設(shè)計(jì)簡單，被廣泛采用。

線性負(fù)反饋恒流源的設(shè)計(jì)方法有分立元件和集成電器兩種形式[2]，其中分立元件穩(wěn)流電路有二極管、三極管和電子管穩(wěn)流等形式，此種恒流電路的器件選擇需要根據(jù)輸入輸出的電壓、電流和負(fù)載來確定，電路調(diào)試復(fù)雜。而集成電路恒流源可直接由三端穩(wěn)壓器或運(yùn)放構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定。

1.2 數(shù)控電路設(shè)計(jì)

數(shù)控電路組成包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、A/D采樣輸入電路和D/A控制輸出電路。其中數(shù)控直流電流源的控制電路采用單片機(jī)最小系統(tǒng)對(duì)電路各部分進(jìn)行控制。最小系統(tǒng)由MCU、采樣輸入、控制輸出、串口通信電路及復(fù)位電路、鍵盤、顯示電路組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2所示。MCU選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)[3]：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS工藝的8位單片機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的引腳和指令完全兼容。其外接晶振頻率范圍為0 Hz～33 MHz，內(nèi)置256 B片內(nèi)RAM，3個(gè)16位定時(shí)器/記數(shù)器，片內(nèi)看門狗。其性能好于常用的89C52系列單片機(jī)。

時(shí)鐘設(shè)計(jì)要求微處理器采樣周期設(shè)置為0.5 s，并且實(shí)測值和設(shè)定值間隔顯示變換周期約2 s，采用12 MHz晶振，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。數(shù)控直流電流源具有鍵盤顯示功能。采用自制鍵盤對(duì)電流進(jìn)行設(shè)定，采用兩個(gè)四位數(shù)碼管交替顯示實(shí)測值和設(shè)定值，高位顯示標(biāo)志位，第2位~第5位顯示整數(shù)值單位mA，最低位顯示小數(shù)位，采用UC7291芯片電路作為顯示控制和驅(qū)動(dòng)端，其優(yōu)點(diǎn)是顯示位數(shù)多、節(jié)約I/O端口、使用方便、價(jià)格合理。串口通信電路可以方便地與計(jì)算機(jī)連接，選用MAX232芯片進(jìn)行計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程在線調(diào)節(jié)電流大小、讀數(shù)、鍵盤鎖定、解除鎖定等功能控制。

A/D采樣輸入電路如圖3所示，為了滿足取樣精度需要，選擇12位A/D轉(zhuǎn)換器和12位D/A轉(zhuǎn)換器，使步進(jìn)小于1 mA。在電路中A/D啟動(dòng)后，先讀高8位結(jié)果，再讀低4位；D/A則先寫入高8位，再寫入低4位。

D/A控制輸出電路如圖4所示，該單片機(jī)的輸入信號(hào)為經(jīng)過12位A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量，送入單片機(jī)處理后產(chǎn)生輸出數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入恒流源，因而這種數(shù)控恒流源的精度最終取決于電路中A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。設(shè)計(jì)中采用12位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，精度可達(dá)0.5 mA。

1.3 系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)較模擬控制更為高級(jí)、復(fù)雜的策略，與模擬控制電路相比較，數(shù)字控制電路擁有更多的優(yōu)點(diǎn)：由數(shù)字PID代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬PID，數(shù)字PID系統(tǒng)相對(duì)于模擬PID系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)周期短、靈活多變、易于實(shí)現(xiàn)模塊化管理，能夠消除因離散元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等[4]。數(shù)字控制系統(tǒng)主程序如圖5所示，主程序的主要工作是進(jìn)行初始化、掃描鍵盤，并響應(yīng)鍵盤和設(shè)定電流值。

電路中A/D采樣周期為130 ms，當(dāng)定時(shí)器T0中斷后進(jìn)行一次采樣，單片機(jī)處理后，輸出D/A進(jìn)行調(diào)節(jié)并顯示。A/D中斷(INTO)，中斷的功能有：讀采樣數(shù)據(jù)、與設(shè)定值比較、控制調(diào)整電壓和傳送顯示。設(shè)電壓變化為Δ，當(dāng)前電壓為Vn，則新的值為Vn+1=Δ×M。M為常數(shù)，可根據(jù)實(shí)際電路參數(shù)要求設(shè)定，而且在程序進(jìn)行中要考慮到D/A為12位，電壓有上、下限。在顯示時(shí)考慮可視性，測量值和設(shè)定值交替顯示。定時(shí)器中斷程序流程圖如圖6所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)指標(biāo)[5]：輸入電壓180 V～250 V/50 Hz；輸出電流范圍20 mA～2 000 mA；具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤10 mA；輸出電流絕對(duì)值輸出電流值的1%，紋波電流2 mA。

在給定電流200 mA作用下，負(fù)載穩(wěn)定度曲線圖如圖7所示，其中負(fù)載穩(wěn)定度是指一定的工作情況下，負(fù)載變化引起的輸出電流變化。測試數(shù)據(jù)表明負(fù)載電壓在0～10 V變化時(shí)，輸出電流最大偏差為2 mA，滿足輸出電流絕對(duì)值小于輸出電流值的1%的設(shè)計(jì)要求。

紋波電流特性如圖8所示，取負(fù)載電阻RL=10 Ω，紋波電流=紋波電壓/負(fù)載，從測試結(jié)果可以看出負(fù)載電流變化引起的紋流變化范圍2 mA，其原因是因?yàn)樗O(shè)計(jì)的電源輸入和輸出進(jìn)行了穩(wěn)壓處理以及進(jìn)行了高頻濾波，因此紋波特性較為理想，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)數(shù)字控制的直流電流源，優(yōu)點(diǎn)為：(1)采用數(shù)字化處理和控制，可避免模擬信號(hào)傳遞的畸變、失真，減少雜散信號(hào)的干擾；(2)該數(shù)字控制電路相對(duì)于模擬控制電路具有設(shè)定準(zhǔn)確、輸出電流恒定、可調(diào)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字控制直流電流源隨著控制策略不斷完善，將成為直流源電源發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何希才.新型穩(wěn)壓電源及其應(yīng)用[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[2] 鄭瓊林，耿文學(xué).電力電子電路精選—常用元器件·實(shí)用電路·設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，1996.

[3] 孫涵.MCS-51/96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

[4] 劉華毅，李霞，徐景德.基于單片機(jī)的寬范圍連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源[J]，電力電子技術(shù)，2001，35(6)：7-9.

[5] 曲學(xué)基.穩(wěn)定電源電路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.