基于单片机的恒流源

-1-前言随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已经成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格，发展空间等备受人们关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件就越优越，那么设备的寿命就更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需要越来越迫切。电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、-2-功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流源方面特别是数控恒流源的技术菜刚刚起步有待发展，高性能的数控横流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。本数控直流恒流源系统输出电流稳定，不随负载和环境变化，并且有很高的精度，输出电流误差范围很小，输出电流可在一定范围内任意设定，因而可实际应用于需要稳定度小功率横流源的领域。-3-第一章绪论1.1恒流源的意义恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，一次恒流源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的。例如在通用的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电源就会相应的减少，为了保证恒流充电，必须随时提高充电器的输出电压，但采用恒流源充电后就可以不必调整期输出电压，从而使劳动强度降低，生产效率得到提高。恒流源还被广泛应用于测量电路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到广泛应用。除此之外，现行扫描锯齿波的获得，有线通信工电源，电泳、点解、电镀等化学加工装置电源，电子束加工机、离子注入机等电子光化学设备中的供电电源也都必须用用恒流源！1.2恒流源的发展历程1.2.1电真空器件恒流源的诞生世界上最早的恒流源，大约出现在20世纪50年代早期。当时采用的电真空器件是镇流管，优于镇流管有稳定电流的功能，所以有用于交流电路，常被用来稳定电子管的灯丝电流。-4-电子管通常不能单独作为横流元件，但可用它来构成各种横流电路。由于电子管是高雅小电流器件，因此用简单的晶体管电路难于获得高雅小电流恒流源，用电子管电路却容易实现，并且性能相当好！1.2.2晶体管横流源的产生和分类进入60年代，随着半导体技术的发展，设计和制造出了各种性能优越的晶体管和恒流源，并在实际中获得可广泛的应用。晶体管恒流源电路可封装在同一外壳内，成为一个具有横流功能的独立器件，用它可构成直接调整型恒流源。用晶体管做调整元件的各种开环和闭环的恒流源，在许多电子电路中得到了应用。但晶体管恒流源的恒流源的电流稳定度一般不高，且最大输出电流也不活几安培。它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。1.2.3集成电路恒流源的出现和种类到了70年代，半导体集成技术的发展，使得恒流源的研制进入了一个新的阶段。长期以来采用分离元件组装的各种恒流源，现在可以集成在一块很小的硅片上面仅需外接少量的元件，集成电路恒流源不仅减小了体积和重量，简化了设计和调试步骤，而且提高了稳定性和可靠性。在各种恒流源电路中，集成电路恒流源的性能堪称最佳。-5-第二章系统原理及理论分析2.1恒流实现原理数模转换芯片AD7543是12位电流输出型，其中OUT1和OUT2是电流的输出端。电流的输出级别可这样计算DX=122式中：DX是控制级数电压iu由集成运算放大器U8A的1脚输出，根据T型电阻网络型的D/A转换关系可知，iu存在如下通式：nREFfnREFnnnniVBRRVbbbbu22)22.......22(0012211（1）式中：iu——输出电压(V)REFV——参考电压(V)；R——T网络电阻()；fR——外接反馈电阻()。电流放大电路存在如下关系：554)1()(RRRRuIWib（2）bLII（3）式中：Ib——基极电流（mA）；Ui——输入电压（V）；IL——负载电流（mA）。由式（1）、（2）可得到：-6-554)1()(RRRRuIWiL（4）由于电路中的放大系数值远大于1，而R与1R保持恒定，所以可推出负载电流与输入电压存在如下关系：4RuIiL（5）由式(5)、（1）可得到:42RVkBInREFL（6）其中，K为比例系数由式（6）可知，负载电流LI不随外部负载LR的变化而改变。当iu保持不变时(即AD7543的输入数字量保持不变)，输出电流LI维持不变，能够达到恒流的目的。为了实现数控的目的，可以通过微处理器控制AD7543的模拟量输出，从而间接改变电流源的输出电流。从理论上来说，通过控制AD7543的输出等级，可以达到1mA的输出精度。但是本系统恒流源要求输出电流范围是20mA~2000mA，而当器件处于2000mA的工作电流时，属于工作在大电流状态，晶体管长时间工作在这种状态，集电结发热严重，导致晶体管值下降，从而导致电流不能维持恒定。为了克服大电流工作时电流的波动，在输出部分增加了一个反馈环节来控制电流稳定，减小电流的波动，此反馈回路采用数字形式反馈，通过微处理器的实时采样分析后，根据实际输出对电流源进行实时调节。经测试表明，采用常用的大功率电阻作为采样电阻0R，输出电流波动比较大，而选用锰铜电阻丝制作采样电阻，电流稳定性得到了改善。-7-2.2系统性能本系统的性能指标主要由两大关系所决定，设定值与D/A采样显示值（系统内部测量值）的关系。内部测量值与实际测量值的关系，而后者是所有仪表所存在的误差。在没有采用数字闭环之前，设定值与内部测量值的关系只能通过反复测量来得出它们的关系（要送多大的数才能使Ｄ/Ａ输出与设定电流值相对应的电压值），再通过单片机乘除法再实现这个关系，从而基本实现设定值与内部测量值相一致。但由于周围环境等因素的影响，使设定值与内部测量值的关系改变，使得设定值与内部测量值不一致，有时会相差上百毫安，只能重新测量设定值与Ａ/Ｄ采样显示值的关系改变Ｄ/Ａ入口数值的大小才能重新达到设定值与内部测量值相一致，也就是说还不稳定。在采用数字闭环后。通过比较设定值与Ａ/Ｄ采样显示值，得出它们的差值，再调整Ｄ/Ａ的入口数值，从而使Ａ/Ｄ采样显示值逐步逼近设定值最终达到一致。而我们无须关心Ｄ/Ａ入口数值的大小，从而省去了原程序中双字节乘除的部分，使程序简单而不受周围环境等因素的影响。内部测量值与实际测量值的误差是由于取样电阻与负载电阻和晶体管的放大倍数受温度的影响和测量仪表的误差所造成的，为了减少这种误差，一定要选用温度系数低的电阻来作采样电阻，因此本系统选用锰铜电阻丝来作采样电阻。-8-2.3单片机最小系统组成单片机系统是整个数控系统的核心部分，它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。主要包括AT89S52单片机、模数转换芯片ADC0809、数模转换芯片AD7543、数码管显示译码芯片74LS47与74LS138等器件。下图为组成-9-第三章总体方案论证与比较3.1方案一方案一原理如下图，采用EPROM和D\A转换器等数字器件完成的控制。次方案使用计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为EOROM的地址输入，而由EPROM得输出经D\A变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。但由于此方案使用开环控制策略，电路简单，成本低，对最后的输出结果不能进寻根建好的调整和修正，使得输出电流精度不高，且控制数据烧录在EPROM中，是系统设计灵活降低，子适应能力差。-10-3.2方案二此方案如下图，主要是以单片机为核心构建控制器，通过对电流值进行预置，单片机输出相应数字信号，经过D\A转换、信号放大、电平转换、压控恒流源，输出电信号。实际输出的电流再利用精密采样电阻转换成电压信号，经过高输入阻抗差动放大器、D\A转换，将信号反馈到单片机中，再将输出反馈信号于设定值比较，送出调整信号，最后输出新的电流值，这样就形成了闭环调节，锁定输出电流，提高了输出电流的精度和稳定度。本方案采用单片机进行控制、显示、预置，使得系统灵活方便，电流输出精度和稳定度较高。但在此方案存在稳定性受限于单片机处理数据的能力。-11-3.3方案三方案图如下所示，整体原理框图于方案二大致相同，进行总体控制、算法运算、显示和置数的等功能。配合VHDL，语言设计数字硬件控制模块进行控制，具有运行速度快，工作稳定可靠的特点。-12-3.4最终方案确定1）方案一采用横流二极管或者横流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流源范围很小，智能达到几十毫安，不能达到设计的要求。2）方案二采用四端可调恒流源，这种器件考改变外围电阻元件参数，从而使电流达到可调的目的，这种器件能够满足20--2000毫安的电流输出要求。改变输出电流，通常有两种方法：一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法不能满足数控调节的要求；二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的没一级步进电阻比较大，很难连续调节输出电流。3）方案三此方案恒流源通过改变横流的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小，电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字信号，经过D/A转换器转变成模拟信号，再发送到大功率三极管进行放大。当改变负载大小时，基本不够影响电流的输出，使得系统一直维持在设定电流值小范围内。该方案通过软件方法实现输出电流稳定，功能比较容易实现，也便于操作。以上三个整体方案各自的特点，进过比较可以看出，方案三是最优方案，但考虑到设计工作量大，测试复杂，所以最终选择方-13-案二！此设计在采用整体方案的方案二的基础上进行改进与恒流方y源案的方案三相结合，构成了以单片机为核心构建器，通过键盘对电流值进行预置或按键逐步微调，单片机输出相应的数字信号，经过D/A转换、信号放大、压控恒流源，输出电流信号。实际输出的电压值利用精密电阻进行分析采样后，经过高输入阻抗放大器构成的电压跟随器、D/A转换，将信号反馈到单片机，将输出反馈信号再与预置限流值比较，构成实时监控的功能。因为在电流源方案中大功率三极管采用了场效应管，而且采样电阻使用了基本上没有温漂的康铜丝作为采样电阻，从而使整个系统工作在最佳状态。即使不用对输出电流进行采样形成闭环控制回路也可以达到预期的目的。而且省去了不少硬件开支。本方案采用单片机进行控制、显示、预置