基于C8051F040數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文章介紹了一種基于C8051F040為控制核心的數(shù)控恒流源，利用內(nèi)置D/A輸出電壓實(shí)現(xiàn)電流高精度調(diào)節(jié)，通過(guò)內(nèi)置A/D采集采樣電阻電壓和交流電源電壓形成閉環(huán)控制，通過(guò)LCD顯示預(yù)設(shè)電流值和實(shí)測(cè)電流值。經(jīng)測(cè)試，輸出20～1500mA電流時(shí)，系統(tǒng)誤差小，負(fù)載調(diào)整率和線性調(diào)整率低。

1 引言

在現(xiàn)實(shí)的生活和實(shí)驗(yàn)中，要用到各式各樣的電源，電壓電流要求各異。如何設(shè)計(jì)一個(gè)電壓穩(wěn)定，輸出電流精度高的電流源，成了電子基礎(chǔ)應(yīng)用的熱點(diǎn)。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來(lái)的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開(kāi)始建立。這些理論為其后來(lái)的發(fā)展提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時(shí)間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點(diǎn)。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向、是針對(duì)上述缺點(diǎn)不斷加以改善。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器件的研制應(yīng)用。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。數(shù)字化電源模塊是針對(duì)傳統(tǒng)電源模塊的不足提出的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過(guò)程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性和產(chǎn)品一致性等工程問(wèn)題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。為達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，本文采用C8051F040單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)其內(nèi)置的D/A輸出電壓對(duì)電流進(jìn)行調(diào)制，大大提高電源的輸出精度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C8051F040為控制核心，通過(guò)鍵盤(pán)預(yù)設(shè)輸出電流，應(yīng)用內(nèi)置D/A和A/D進(jìn)行電流和電壓信號(hào)的輸出與采集，通過(guò)外接LCD顯示預(yù)設(shè)電流值與實(shí)際輸出值。故系統(tǒng)由控制模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、顯示模塊、恒流源模塊、負(fù)載電源模塊、交流電源電壓檢測(cè)模塊等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 各模塊設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊

本系統(tǒng)采用鍵盤(pán)輸入方式，以各種步進(jìn)值(1mA、10mA等)預(yù)設(shè)電流值，C8051F040讀取預(yù)設(shè)電流值，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出對(duì)應(yīng)的精密電壓信號(hào)Vs，Vs作為恒流源模塊的控制電壓模擬量，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源輸出電流的精確調(diào)節(jié)(20mA～1500mA)。

同時(shí)C8051F040控制LCD輸出預(yù)設(shè)電流值和實(shí)際電流值;利用A/D監(jiān)測(cè)輸出電流值和交流電源電壓值，形成閉環(huán)控制，提高輸出精度和穩(wěn)定性。

3.2 恒流源模塊

理想電流源的輸出電流只按其自身規(guī)律變化，與外電路無(wú)關(guān)。如圖2所示、其中Vs是恒流源輸入電壓，Vo為輸出電壓。根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短原則即(V+=V-)，則Vf=Vs，又根據(jù)運(yùn)算放大虛斷原則(運(yùn)放的+、-端輸入電流I+=I-=0)，則流過(guò)電阻R1和R2的電流都應(yīng)是Io，Io便是設(shè)計(jì)要求的恒流源輸出電流。因?yàn)閂f=IoR2，并且Vf=Vs，所以Io=Vs/R2，由此可知，當(dāng)R2一定時(shí)，Io與Vs成正比，當(dāng)Vs變化時(shí)，隨線性變化。因此，圖2所示的恒流源電路是一個(gè)線性電路。為了調(diào)節(jié)輸出電流Io，方法之一就是固定R2不變，調(diào)節(jié)Vs，當(dāng)Vs變化時(shí)，電流Io隨Vs成正比例地變化。數(shù)控模塊的D/A轉(zhuǎn)換器可以精確提供這個(gè)可變的Vs。

可見(jiàn)輸出電流僅與控制電壓和電流取樣電阻有關(guān)，且成線性關(guān)系。

恒流源模塊分為線性調(diào)節(jié)輸出和大功率驅(qū)動(dòng)元件兩部分組成。下圖3為恒流源電路圖，圖中R2，R3，R4和運(yùn)放等組成電流調(diào)整電路，由R7、R8分壓，D/A控制輸出電壓加在跟隨器輸入端，R3、R4并聯(lián)組成采樣電阻，可調(diào)電阻R3用于微調(diào)采樣電阻，采樣電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。依據(jù)Io=Vs/R2，選擇R2=1Ω，當(dāng)Io=1500mA時(shí)，Vs=1V。所以，D/A輸出Vs的范圍為0～1.5V。R6為限流電阻，當(dāng)需要調(diào)高輸出電流時(shí)，D/A輸出電壓增加，運(yùn)放輸出電壓升高，Q1導(dǎo)通程度增加，導(dǎo)致輸出電流增加。當(dāng)需要調(diào)低輸出電流時(shí)，D/A輸出電壓減小，運(yùn)放輸出電壓降低，Q1導(dǎo)通程度減小，導(dǎo)致輸出電流減小，為了系統(tǒng)準(zhǔn)確性高，取樣電阻采用高精度大功率錳銅絲。

3.3 交流電源電壓的監(jiān)測(cè)

為使系統(tǒng)輸出電流精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，通過(guò)采集交流電源電壓，形成閉環(huán)控制。

交流采樣算法采用均方根算法，交流電源電壓檢測(cè)電路如圖5所示。

3.4 LCD顯示與鍵盤(pán)設(shè)計(jì)

采用LCD顯示器顯示預(yù)設(shè)電流值、實(shí)際電流值、誤差等。系統(tǒng)采用128x64點(diǎn)陣12864液晶顯示器，可顯示漢字和圖形，設(shè)計(jì)友好的顯示界面。鍵盤(pán)設(shè)計(jì)采用4個(gè)按鍵，利用菜單模式，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)設(shè)置(如任意步進(jìn)的設(shè)置)，其接口簡(jiǎn)單控制方便。

4 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖6所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示，外接電源和負(fù)載分別進(jìn)行誤差、負(fù)載調(diào)整率、紋波電流和線性調(diào)整率測(cè)試。

5.1 誤差測(cè)試

在范圍內(nèi)選定5個(gè)值進(jìn)行測(cè)試比較，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由數(shù)據(jù)分析可知，誤差率低于，其中Io為設(shè)定值，I1為采樣值，I2為電流表實(shí)測(cè)值，I%為誤差率，I%=|I2-I0|/Io× 100%。

5.2 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

輸入電壓220V不變，設(shè)定電流600mA，改變負(fù)載電阻值R，分別在5Ω、10Ω、20Ω、50Ω、100Ω測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示，由數(shù)據(jù)分析可知，誤差率低于。

5.3 紋波電流測(cè)試

負(fù)載設(shè)定為，分別測(cè)試輸出電流為，時(shí)，負(fù)載電壓峰峰值，紋波電流小于。

5.4 線性調(diào)整率測(cè)試

負(fù)載固定，輸出電流固定，改變輸入電壓值，分別進(jìn)行測(cè)試，分析實(shí)際輸出電流值的變化，測(cè)試結(jié)果如表3所示，由數(shù)據(jù)分析可知，誤差率低于。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)利用C8051F040內(nèi)置D/A和A/D，采用采樣電阻和交流電源電壓檢測(cè)雙相反饋，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)，誤差和紋波電流低于、負(fù)載調(diào)整率和線性調(diào)整率的誤差率都小于的高精度、高穩(wěn)定性的恒流源。