基于Proteus的數(shù)控恒流源仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)主要包括矩陣鍵盤輸入模塊、數(shù)控模塊、恒流電路模塊、電流采樣模塊、串口通信模塊、PC 監(jiān)控界面。該恒流源以單片機(jī)為核心， 大功率場效應(yīng)管IRF530 作為恒流器件， 采用10 位分辨率的A/ D 和D/ A 芯片， 輸出電流為20~ 2 000 mA， 最小分辨率2 mA， 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)本機(jī)按鍵控制和PC 遠(yuǎn)程控制。仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案可行， 且可以達(dá)到比較好的穩(wěn)定性和較高的精度。

　　0 引 言

　　在測試計(jì)量、半導(dǎo)體性能測試等許多工業(yè)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域都會(huì)用到恒流源， 研究并設(shè)計(jì)一款智能化的高精度恒流源具有十分廣泛的應(yīng)用價(jià)值。但在一個(gè)電子產(chǎn)品研制過程中， 必須反復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、試制和調(diào)試， 而實(shí)物試制和調(diào)試是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)和費(fèi)力的工作， 往往是事倍功半， 導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)周期長， 成本高。隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展， 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)徹底改變了以往電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中完全依靠人工進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、電路實(shí)驗(yàn)、實(shí)物試制和系統(tǒng)調(diào)試的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法， 利用EDA 仿真軟件， 對(duì)已存在的系統(tǒng)或設(shè)想中的不同設(shè)計(jì)方案在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真分析，同時(shí)與實(shí)物試制和調(diào)試相結(jié)合， 從而優(yōu)化元件參數(shù)， 提高系統(tǒng)性能， 最大限度地降低了設(shè)計(jì)成本， 縮短了系統(tǒng)研制周期。Proteus 是一款功能強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助類EDA仿真軟件， 采用該軟件對(duì)數(shù)控恒流源進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、研究和實(shí)驗(yàn)， 可以達(dá)到研制和開發(fā)實(shí)際電子產(chǎn)品的目的。

　　本文研究采用Proteus 仿真軟件， 利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)控恒流源開發(fā)的方法。

　　1 系統(tǒng)概述

　　單片機(jī)技術(shù)的普及使電子產(chǎn)品進(jìn)入了智能化時(shí)代， 以單片機(jī)為核心的數(shù)控恒流源整體設(shè)計(jì)方案如圖1.本系統(tǒng)主要包括矩陣鍵盤輸入模塊、數(shù)控模塊、恒流電路模塊、電流采樣模塊、串口通信模塊、PC 監(jiān)控界面。設(shè)計(jì)輸出電流范圍20~ 2 000 mA， 步進(jìn)2 mA.

　　圖1 數(shù)控恒流源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)采用矩陣鍵盤作為人機(jī)接口， 從鍵盤輸入設(shè)定電流， 單片機(jī)讀取設(shè)定值， 顯示在LCD 上， 進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后， 將控制信號(hào)送給D/ A， 輸出相應(yīng)的電壓值， 再通過V/ I 轉(zhuǎn)換將該電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電流提供給負(fù)載，取樣電路將實(shí)際輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓通過A/ D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理顯示在LCD 上， LCD 上同時(shí)顯示設(shè)定電流值和采樣值， 以便進(jìn)行比較以及相應(yīng)的控制和調(diào)試。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2. 1 數(shù)控部分設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)、矩陣鍵盤和D/ A 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成典型的數(shù)控單元電路， 采用10 位的串行D/A 轉(zhuǎn)換芯片TLC5615 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

　　獨(dú)立按鍵編程簡單， 但占用I/ O 口資源， 不適合在按鍵較多的場合應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中需要用到14 個(gè)功能按鍵，包括0~ 9 共10 個(gè)數(shù)字鍵、“取消”、“確認(rèn)”以及“步進(jìn)加減”按鍵， 在這種情況下如果用獨(dú)立按鍵顯然太浪費(fèi)I/ O口資源， 為此我們引入了矩陣鍵盤。用四條I/ O 線作為行線， 4 條I/ O 線作為列線， 共8 根數(shù)據(jù)線和單片機(jī)接口。

　　在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵， 這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O 口的利用率。

　　下面以函數(shù)的形式給出了一個(gè)簡短而高效的鍵盤掃描程序。

　　從鍵盤輸入設(shè)定電流值， 并在LCD 的第一行顯示， 單位為mA， 按“確認(rèn)”鍵后， 單片機(jī)將輸入的數(shù)值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量送給D/ A 轉(zhuǎn)換芯片T LC5615。

　　假設(shè)輸入電流值為m 時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為x ， 采用10位D/A 的最大控制字為1 023， 為計(jì)算方便， 設(shè)滿量程2 000 mA 對(duì)應(yīng)的最大數(shù)字量為1 000， 則有比例關(guān)系式（ 1）：

　　根據(jù)上式可知送給T LC5615 的數(shù)字量控制字x 應(yīng)為0. 5 ×m， 且可達(dá)到的輸出最小步進(jìn)值為2 mA， 即電流控制字每變化1， 電流變化2 mA.如果要達(dá)到1 mA 的步進(jìn)值則需要采用12 位的D/A 芯片。

　　控制字1000 對(duì)應(yīng)2 000 mA 電流， 取樣電阻為1 Ω 時(shí)即對(duì)應(yīng)2 V 電壓輸出， 由于T LC5615 的最大輸出數(shù)字量為1023， 根據(jù)T LC5615 的控制字與輸出電壓關(guān)系式可知：

　　求得D/ A 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓應(yīng)取U REF= 1. 023 V.

　　T LC5615 使用固定增益為2 的運(yùn)放緩沖的電阻串網(wǎng)絡(luò)， 把10 位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓， 其輸出電壓范圍為0 V至2×V REFV， 即最大輸出電壓為參考電壓的2 倍。

　　這里T LC5615 的參考電壓取1. 023 V ， 滿量程輸出為2. 046 V， 采用1Ω的取樣電阻時(shí)， 最大輸出電流為2 046 mA， 可以滿足設(shè)計(jì)要求。

　　為了提高測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性， 采用專用的電壓基準(zhǔn)芯片TL431 為T LC5615 提供基準(zhǔn)電壓， 并在Proteus中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。電路如圖2 所示， 在制作實(shí)際電路時(shí)，圖中的可調(diào)電阻采用精密多圈電位器。

　　圖2 電壓基準(zhǔn)電路

　　2. 2 恒流電路的設(shè)計(jì)

　　恒流電路的主要作用是將數(shù)控部分送來的電壓轉(zhuǎn)換成恒定的電流輸出， 提供給負(fù)載。轉(zhuǎn)換電路由高精度集成運(yùn)算放大器LM358、功率場效應(yīng)管IRF530 和采樣電阻構(gòu)成， 如圖3 所示。將數(shù)控部分的模擬輸出電壓Ui 作為LM358 的輸入量， 取樣電阻的電壓反饋到LM358 的反相輸入端， 該電路構(gòu)成了典型的電流串聯(lián)負(fù)反饋， 根據(jù)反饋理論， 由于集成運(yùn)放的開環(huán)增益很大， 所以該電路為深度負(fù)反饋， 即輸入電壓Ui與取樣電阻R 上的反饋電壓Uf 相等， 可由式（3） 得：

　　圖3 電流源電路。

　　即輸出電流IO 只取決于數(shù)控輸出電壓Ui 和取樣電阻R 的大小， 而與負(fù)載無關(guān)， 且負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的功能， 如能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓和精密的取樣電阻， 則可得到紋波很小的恒定電流。仿真結(jié)果表明該電路有很好的恒流效果。實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)， 為了達(dá)到更穩(wěn)定的輸出， 可在LM358 和IRF530 之間加入RC 濾波。

　　仿真實(shí)驗(yàn)表明，LM358（ U2:A） 采用+ 5 V 電源供電時(shí)達(dá)不到要求的電流。為滿足設(shè)計(jì)要求， 可采用+ 12 V直流電源供電。此外，要達(dá)到2 000 mA 的輸出電流， 應(yīng)采用大功率且溫度系數(shù)小的取樣電阻， 對(duì)于高精度的應(yīng)用可采用康銅或錳銅絲作為取樣電阻， 如果精度要求不高， 也可采用水泥電阻。

　　由于集成運(yùn)放不可能提供很高的電流， 因此設(shè)計(jì)中采用功率場效應(yīng)管IRF530 進(jìn)行擴(kuò)流， IRF530 在散熱良好的條件下可以提供14 A 的電流， 導(dǎo)通電阻僅為0. 18Ω ， 滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)需要大功率的電源為其供電， 根據(jù)設(shè)計(jì)的最大電流和負(fù)載值來確定電源參數(shù)。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)， 若負(fù)載在0~ 10 Ω， 采用+ 24 V 電源可以滿足設(shè)計(jì)要求， 并有一定余量， 因此實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以采用+ 24 V/ 3 A 的直流穩(wěn)壓電源。由于IRF530 漏電流的存在， 最小輸出