一種基于大功率FET的數(shù)控直流電流源設(shè)計

O 引言
本文研制的電源是為滿足生產(chǎn)和教學(xué)科研應(yīng)用的直流恒流源。采用軟硬件結(jié)合的方法，能夠輸出恒定直流0～2000mA，步進(jìn)8mA，紋渡電流≤2mA。用戶通過手動設(shè)定需要的數(shù)值，可以準(zhǔn)確得到穩(wěn)流輸出。本系統(tǒng)擁有友好的界面，是可以應(yīng)用在生產(chǎn)、科研及教學(xué)活動中的數(shù)控直流恒流源。并且，產(chǎn)品擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)儀器的功能，用戶通過遠(yuǎn)端監(jiān)控。能夠使本產(chǎn)品工作在比較惡劣的遠(yuǎn)端生產(chǎn)環(huán)境中，達(dá)到恒流輸出的效果。

l 方案論證及比較
1．1 控制方案
方案一：采用數(shù)字信號處理器(DSP)。
DSP功能強(qiáng)大，能完成許多復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，但其價格一直居高不下，成本較單片機(jī)高。對于恒流源控制來說，不具有普適性。
方案二：采用CPLD或FPGA作為主控制器控制A／D、D／A轉(zhuǎn)換及健盤和LCD控制。
此方案邏輯電路復(fù)雜，且靈活性較低，尤其不利于各種功能的擴(kuò)展。更由于頻率較高，與單片機(jī)的通信編程復(fù)雜，時序控制困難?？紤]到本課題的重點是實現(xiàn)電流信號的精確輸出，而不是邏輯控制，故不選用此方案。
方案三：采用5l系列單片機(jī)。
51系列單片機(jī)造價低廉通用性好，市場應(yīng)用成熟，用此單片機(jī)足以完成課題要求，使資源利用率較高。
經(jīng)研究，我們選用方案三。

1．2 鍵顯方案
方案一：采用數(shù)碼管顯示。
數(shù)碼管亮度高、體積小、重量輕，但其顯示信息簡單、有限，在本課題中應(yīng)用受到很大的限制。
方案二：采用液晶顯示模塊。
液晶顯示功耗低，輕便防震。由于本課題顯示信息比較復(fù)雜，采用液晶顯示界面友好清晰，操作方便，最示信息豐富，而且避免了LED的動態(tài)掃描，使程序設(shè)計更加簡單。鍵盤采用通用集成芯片82C79控制。減少了NCU的I／O口的使用，減輕了編程的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)資源利用率。
經(jīng)研究，我們采用方案二．液晶選用了HSl2864―12LCM。

l.3 V／I轉(zhuǎn)換方案
方案一：采用壓流變送器XTRllO。
此種方案會使恒流輸出十分穩(wěn)定，但是輸出電流較小，后級電流放大難以實現(xiàn)。專門的電流放大器價格昂貴且器件難以購買。
方案二：采用直流負(fù)反饋電路。如圖l所示。

通過反饋使硬件搭建簡單，且由于我們選擇了低溫漂的精密放大器，使得電壓和電流的線性度非常良好。
最后，我們選用了方案二，使壓流轉(zhuǎn)換較容易實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計
2．1 硬件設(shè)計
系統(tǒng)采用89S52為控制核心，分為穩(wěn)壓直流電源模塊、V／I轉(zhuǎn)換模塊、A／D和D／A模塊、鍵盤顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)儀器模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。

2．1．1 微控制模塊
控制中心采用89S52。89S52相比于89C51價格基本不變，甚至比89C5l更低，具有更高的性價比。為了串口通信波特率的設(shè)定，選取晶振為11．0592MHz。由于系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，故在系統(tǒng)板上加載了82C79、AD0809、并口液晶等的標(biāo)準(zhǔn)接口。

2．1．2 直流穩(wěn)壓電源模塊
由于單片機(jī)及其外圍的用電模塊都用5V或正負(fù)12V直流電源，而電網(wǎng)電壓為220V交流電，因此需要沒計電源。利用2W的變壓器將220V的電網(wǎng)電壓變壓后，加在橋式整流電路的兩端進(jìn)行全波整流。利用三端穩(wěn)壓電源分別產(chǎn)生正負(fù)12V和5V的電壓。三端穩(wěn)壓電源選擇LM317、7812、7912和7805。由于負(fù)載輸出電流很大，故有一路電源選用了高輸出電流的三端穩(wěn)壓器LM317。
LM317的最大輸出電壓為35V，最大輸出電流是3A。
直流穩(wěn)壓電源的電路圖如圖3所示。

2．1．3 A／D和D／A轉(zhuǎn)換模塊
基本要求步進(jìn)值不大于10mA，輸出電流范圍為20～2000mA。但若想達(dá)到更高的水平，使步進(jìn)值為lmA，共計(2000―20)／1=1980種狀態(tài)，故我們打算采用12位D／A轉(zhuǎn)換器，但由于該類D／A芯片未購買到，只得放棄，采用8傳DAC0832進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
DAC0832共有256種狀態(tài)，充分利用它們，可使步進(jìn)值最小為(2000―20)mA/256=7．734 375mA，為使運算時提高精度，步進(jìn)值定為8mA，電流范圍為OmA~(0+255x8)mA(即O～2 040mA)，可以較好滿足基本要求。DAC0832輸入數(shù)據(jù)每增加l，恒電流增加8mA。
A／D輸入為通過精密電阻采樣，再經(jīng)過后級差分放大的電壓信號。為配合D／A工作，完成閉環(huán)控制，A/D也選用8位芯片。

2.1.4 恒流輸出模塊
如圖4所示，輸入電壓由電阻分壓變?yōu)?~2V。經(jīng)精密運放01707進(jìn)行負(fù)反饋輸出，再經(jīng)過大功率場效應(yīng)管IRFZ44NL使輸出達(dá)到課題要求。采用康銅電阻絲繞制的精密電阻，可算得輸出電流為Io=Ui／R。D／A輸出經(jīng)已經(jīng)放大后變?yōu)?～lOV，經(jīng)過電阻分壓后進(jìn)入控制恒流輸出電路。此時若選擇精密電阻絲為lΩ，分壓比為l：5，使得輸出電流可達(dá)到2A。

2.1.5 閉環(huán)控制模塊
為使輸出電流與用戶給定值最接近，我們采用了按照D／A、A／D的時序進(jìn)行數(shù)值比較，采用步進(jìn)控制使電流波動較小。例如假設(shè)用戶輸入200mA，系統(tǒng)通過D/A轉(zhuǎn)換輸出；當(dāng)下一步A/D轉(zhuǎn)換到來時，系統(tǒng)得到電流實際值是184mA，則系統(tǒng)自動實現(xiàn)步進(jìn)控制，使輸出值變大。當(dāng)輸出值超過預(yù)定值時，情況相反。如此，實現(xiàn)了輸出電流的穩(wěn)定。原理如圖5所示。

2．1．6 鍵盤顯示模塊
為了使顯示更加有效，功能更加貼近用戶，主要參數(shù)采用液晶顯示。鍵盤通過82C79控制，減少了單片機(jī)I／O口的使用，減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。
液晶顯示采用了HSl2864―12。顯示分辨率為128x64．內(nèi)置8192個16x16點漢字，和128個16x8點ASCII字符集?？梢燥@示8x4行16x16點陣的漢字。也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。用戶圖形界面如圖6所示。

由于液晶采用了菜單設(shè)計，因此大大減少了按鍵，節(jié)省了資源。鍵盤示意如圖7所示。

2．1．7 網(wǎng)絡(luò)儀器
為使恒流源的應(yīng)用更加廣泛(例如生產(chǎn)現(xiàn)場遠(yuǎn)端的無人環(huán)境)，我們擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)儀器的功能。恒流源可應(yīng)用于實際生產(chǎn)車間(精度可以設(shè)計得更高)，嵌入到用戶的系統(tǒng)中，由PC終端完成智能控制。給負(fù)載提供可通過網(wǎng)絡(luò)控制的的恒定電流。
用戶界面如圖8所示。

鍵盤功能更加強(qiáng)大，用戶可以輕松地在遠(yuǎn)端PC實現(xiàn)對恒流源的控制。通信狀態(tài)共有3種：建立連接，正在通信，連接斷開。在不同階段，界面會給予提示信息，并在通信過程中讓指示小燈閃爍。PC機(jī)和單片機(jī)通信遵循RS232標(biāo)準(zhǔn)。我們自定義了一個協(xié)議，VB程序每50ms定時檢測單片機(jī)是否發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)給PC機(jī)。單片機(jī)主控程序除處理其他事務(wù)外，循環(huán)查詢PC機(jī)是否發(fā)控制消息給單片機(jī)，以進(jìn)行相應(yīng)處理。

2.2 軟件設(shè)計
2．2．1 總體設(shè)計
軟件設(shè)計基于RTX51嵌入式系統(tǒng)。RTX5I是應(yīng)用于MCU的一種多任務(wù)實時操作系統(tǒng)(Real Time Operation System)。支持任務(wù)按時間片循環(huán)任務(wù)調(diào)度和任務(wù)間的信號傳遞，并且可以并行地利用中斷。應(yīng)用在微控制器上，可大大提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率和實時性，軟件系統(tǒng)示意圖如圖9所示。

2．2．2 程序流程
主控程序設(shè)計流程如圖10所示。

3 結(jié)語
系統(tǒng)以89S52為核心，采用模塊化設(shè)計形成數(shù)控直流電流源，軟件設(shè)計采用 RTX51實時操作系統(tǒng)?？筛鶕?jù)用戶需要輸出恒定的電流值。該儀器還具有超量程自動報警功能。輸出參數(shù)較精確，由于A/D、D/A均采用了8位(12位器件無法購得)，使得電流輸出步進(jìn)不能達(dá)到1 mA的需要。但其他系統(tǒng)功能基本完成。若采用12位的A／D和D/A，經(jīng)過計算仿真發(fā)現(xiàn)，輸出非常穩(wěn)定，步進(jìn)可遠(yuǎn)小于1mA，紋波幾乎為0。