數(shù)控直流電流源的設(shè)計與實現(xiàn)
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在電子設(shè)備中經(jīng)常用到穩(wěn)定性好、精度高、輸出可預(yù)置的直流電流源。本文設(shè)計的數(shù)控直流電流源能夠很好地降低因元器件老化、溫漂等原因造成的輸出誤差，輸出電流在20mA～2000mA可調(diào)，輸出電流可預(yù)置、具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整、輸出電流信號可直接顯示和語音提示等功能。硬件電路采用凌陽單片機SPCE061A為控制核心，利用閉環(huán)控制原理，加上反饋電路，使整個電路構(gòu)成一個閉環(huán)，在軟件方面主要利用PID算法來實現(xiàn)對輸出電流的精確控制。該系統(tǒng)可靠性高、體積小、操作簡單方便、人機界面友好。
圖1 數(shù)控直流電流源的基本模塊方框圖
系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案
本設(shè)計采用單片機作為主要控制部件，通過鍵盤預(yù)置輸出電流值并采用液晶模塊實時顯示。整個系統(tǒng)硬件部分由微控制器、電壓-電流轉(zhuǎn)換、鍵盤、顯示、直流穩(wěn)壓電源和語音提示等模塊組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
微控制器是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的運作。為了實現(xiàn)簡化硬件電路、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，便于實現(xiàn)語音播報、鍵盤設(shè)置和信息的實時顯示等功能的協(xié)調(diào)，通過多種方案論證后，微控制器選用凌陽公司的SPCE061A，該單片機內(nèi)部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-Driver等電路(與IC型號有關(guān))。它采用精簡指令集(RISC)，指令周期均以CPU時鐘數(shù)為單位。另外，它還兼有DSP功能，內(nèi)置16位硬件乘法器和加法器，并配備有DSP擁有的特殊指令，大大加速了各種算法的運行速度。同時可以在Windows環(huán)境下使用凌陽單片機應(yīng)用開發(fā)工具，該工具支持標(biāo)準(zhǔn)C語言和凌陽單片機匯編語言，集匯編、編程、仿真等功能于一體，大大加快了軟件開發(fā)過程。用該單片機作為控制器比較合適，在硬件電路簡單的前提下，容易實現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換、語音提示、PID運算等功能。
圖2 V/I轉(zhuǎn)換電路圖
顯示模塊主要實現(xiàn)的功能是顯示設(shè)置的電流輸出值和其它人機交互信息。本部分可以采用七段數(shù)碼LED顯示器，顯示數(shù)字、簡單字母和小數(shù)點等信息，但由于其顯示信息單一，人機交互不友好，本文采用字符型液晶顯示屏LCDSMC1602A模塊。該模塊具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無輻射、平面直角顯示及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)點，且可視面積大、面效果好、分辨率高、抗干擾能力強，適合用于顯示字母、數(shù)字、符號等信息，而且不需要擴展過多外圍電路，可由單片機直接進(jìn)行控制輸出顯示。
電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊由精密運放與三個晶體管組成的達(dá)林頓管電路構(gòu)成。轉(zhuǎn)換電路利用晶體管平坦的輸出特性和深度負(fù)反饋電路使輸出電流穩(wěn)定，如圖2所示，此V/I轉(zhuǎn)換電路的帶負(fù)載能力強，電流輸出范圍達(dá)0~3A。輸出電流Io經(jīng)反饋電阻Rf得到一個反饋電壓Vf，Vf= V11-V12，通過R5、R6加到運算放大器的兩輸入端，設(shè)運放兩端的電為V1、V2，Vi由單片機DAC輸出。因為理想運放的輸入電流約等于零，且V1=V2，則：
V12[1-R6/(R2+R6)]+ViR6/(R2+R6)=V11R1(R1+R6)
由于V12 =V11-Vf，則：
V11R2/(R2+R6)+(ViR6-VfR2)/(R2+R6)=V11R1/(R1+R5)
令R1=R2=10kW，R5 =R6 =1kW，則有Vf=ViR6/R2=Vi/10
若暫不考慮反饋時，
Io=Vi/(10Rf)
由此可見，輸出電流的標(biāo)定由D/A轉(zhuǎn)換所得輸出電壓Vi和Rf的阻值決定，成線性變換。Rf由大線徑銅絲制作，其溫度系數(shù)很小(5ppm/℃)，大線徑可以使其溫度影響減至最小。3個三極管應(yīng)選用大功率管TIP122，且使用散熱片，以保證管子工作在線性區(qū)。
圖3 三運放V/I轉(zhuǎn)換電路
電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊還有另外一種方案，即采用三個運放構(gòu)成輸出電流可變的電流源，如圖3所示。輸出電流I=Vi/R1，為使R1兩端的電壓保持恒定，由差分放大器IC1b通過射隨器IC1c監(jiān)測R1兩端的電位，此電位經(jīng)IC1b的7腳加到比較器 ICa的反相輸入端與Vref比較，根據(jù)比較結(jié)果使比較器的輸出端變化，直到平衡為止，即Vr1=Vi。電路中的電容用于補償ICa的頻率，減少控制環(huán)路的延時。只要R1=R2=R3=R4=R5，此電路的性能較好，但帶負(fù)載能力不強，環(huán)路延時補償對電路的穩(wěn)定有較大影響。
圖4 系統(tǒng)工作流程圖
系統(tǒng)鍵盤模塊可以采用獨立式或行列式(矩陣式)連接方式，該模塊主要完成對輸出電流和其它信息的設(shè)定。直流穩(wěn)壓電源模塊為整個系統(tǒng)供電，語音模塊實現(xiàn)語音提示，使系統(tǒng)設(shè)計更具人性化，系統(tǒng)具有友好的工作界面。凌陽單片機內(nèi)部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF等模塊，語音功能可由軟件編程實現(xiàn)，不需要外接任何電路，有效利用了系統(tǒng)資源。
系統(tǒng)工作及軟件流程
通過以上對各模塊的分析，系統(tǒng)在工作過程中由SPCE061A單片機將被預(yù)置的電流通過換算進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，以輸出電壓驅(qū)動V/I轉(zhuǎn)換電路，并將該電流對應(yīng)的電壓通過閉環(huán)回路，經(jīng)信號處理電路作A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機系統(tǒng)，通過PID算法調(diào)整電流輸出。整個系統(tǒng)工作流程如圖4所示。
圖5 主程序流程圖
系統(tǒng)軟件設(shè)計在凌陽十六單片機應(yīng)用開發(fā)工具unSPIDE1.16.1中進(jìn)行，采用凌陽單片機匯編語言和標(biāo)準(zhǔn)C語言對單片機進(jìn)行編程，以實現(xiàn)各種功能。主要包括: (1)系統(tǒng)的初始化，包括各外圍接口設(shè)備的初始化；(2)鍵盤輸入；(3)D/A、A/D轉(zhuǎn)換； (4)PID算法進(jìn)行電流調(diào)整；(5)語音提示和電流顯示。其主程序流程如圖5所示。
圖6 IRQ1 中斷服務(wù)程序的流程圖
A/D轉(zhuǎn)換部分程序主要用于將采樣電阻采集的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。采樣信號由IoA6輸入并直接送入緩沖器P_ADC_MUX_Data，在ADC自動方式被啟用后，會產(chǎn)生一個啟動信號，此時RDY=0，DAC0的電壓模擬量與外部的采樣模擬量相比較，以盡快找出外部信號模擬量的數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在SAR內(nèi)。當(dāng)10位A/D轉(zhuǎn)換完成時，RDY=1，此時，通過讀P_ADC_MUX_Data單元，可以獲得10位A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。其IRQ1 中斷服務(wù)程序的流程如圖6所示。
PID算法主要用于修正實際輸出的電流值和設(shè)定值的偏差，調(diào)節(jié)下一次的輸出值，使輸出更接近于設(shè)定值，提高精度。具體控制過程為：單片機經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片讀出實際電流Ik,然后和設(shè)定的電流Is比較,得出偏差值Ek=Is-Ik，單片機根據(jù)Ek的大小，調(diào)用PID公式，計算出本次電流調(diào)節(jié)的增量ΔIk，然后根據(jù)前一次的D/A轉(zhuǎn)換輸出電流Iq-1,計算出本次的輸出電流Iq。
離散增量PID的計算公式為
ΔIk=Kp[(Ek-Ek-1)+K1Ek+KD(Ek-2Ek-1+Ek-2)]=Kp(Ek-Ek-1)+K1’Ek+KD’(Ek-2Ek-1+Ek-2)
式中: K1’= Kp*K1, KD’=Kp * KD，Ek為本次采樣的電流誤差， Ek-1為上次采樣電流誤差， Ek-2為再次采樣電流誤差值。
結(jié)語
為了測試系統(tǒng)運行的準(zhǔn)確性和可靠性，可以對設(shè)定量與反饋量進(jìn)行測試，誤差在0.01%之內(nèi)，并且運行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的，還增添了特色的音頻播放設(shè)計。凌陽SPCE061A單片機在該系統(tǒng)中使用，使系統(tǒng)功能齊全、外圍電路簡單、輸出精確，軟件編程采用Ｃ和匯編混合編程來實現(xiàn)，集兩種優(yōu)點于一身，豐富了編程思想,體現(xiàn)了很大的優(yōu)越性。
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