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[導讀]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輸出電壓實現(xiàn)電流高精度調(diào)節(jié),通過內(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LCD顯

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輸出電壓實現(xiàn)電流高精度調(diào)節(jié),通過內(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LCD顯示預設電流值和實測電流值。經(jīng)測試,輸出20~1500mA電流時,系統(tǒng)誤差小,負載調(diào)整率和線性調(diào)整率低。

1 引言

在現(xiàn)實的生活和實驗中,要用到各式各樣的電源,電壓電流要求各異。如何設計一個電壓穩(wěn)定,輸出電流精度高的電流源,成了電子基礎應用的熱點。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用,普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差,會影響整個系統(tǒng)的精確度。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來的,期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個良好的基礎。在以后的一段時間里,數(shù)控電源技術有了長足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向、是針對上述缺點不斷加以改善。單片機技術及電壓轉換模塊的出現(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)字信號處理器件的研制應用。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)品一致性等工程問題,極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護性。為達到一定的標準,本文采用C8051F040單片機作為控制核心,通過其內(nèi)置的D/A輸出電壓對電流進行調(diào)制,大大提高電源的輸出精度。

2 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)采用C8051F040為控制核心,通過鍵盤預設輸出電流,應用內(nèi)置D/A和A/D進行電流和電壓信號的輸出與采集,通過外接LCD顯示預設電流值與實際輸出值。故系統(tǒng)由控制模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、恒流源模塊、負載電源模塊、交流電源電壓檢測模塊等組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

 

 

3 各模塊設計

3.1 控制模塊

本系統(tǒng)采用鍵盤輸入方式,以各種步進值(1mA、10mA等)預設電流值,C8051F040讀取預設電流值,經(jīng)過運算得出對應的數(shù)字輸出量,再經(jīng)D/A轉換器輸出對應的精密電壓信號Vs,Vs作為恒流源模塊的控制電壓模擬量,實現(xiàn)對恒流源輸出電流的精確調(diào)節(jié)(20mA~1500mA)。

同時C8051F040控制LCD輸出預設電流值和實際電流值;利用A/D監(jiān)測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,與外電路無關。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)運算放大器的虛短原則即(V+=V-),則Vf=Vs,又根據(jù)運算放大虛斷原則(運放的+、-端輸入電流I+=I-=0),則流過電阻R1和R2的電流都應是Io,Io便是設計要求的恒流源輸出電流。因為Vf=IoR2,并且Vf=Vs,所以Io=Vs/R2,由此可知,當R2一定時,Io與Vs成正比,當Vs變化時,隨線性變化。因此,圖2所示的恒流源電路是一個線性電路。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Vs變化時,電流Io隨Vs成正比例地變化。數(shù)控模塊的D/A轉換器可以精確提供這個可變的Vs。

 

 

可見輸出電流僅與控制電壓和電流取樣電阻有關,且成線性關系。

恒流源模塊分為線性調(diào)節(jié)輸出和大功率驅動元件兩部分組成。下圖3為恒流源電路圖,圖中R2,R3,R4和運放等組成電流調(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換為電壓。依據(jù)Io=Vs/R2,選擇R2=1Ω,當Io=1500mA時,Vs=1V。所以,D/A輸出Vs的范圍為0~1.5V。R6為限流電阻,當需要調(diào)高輸出電流時,D/A輸出電壓增加,運放輸出電壓升高,Q1導通程度增加,導致輸出電流增加。當需要調(diào)低輸出電流時,D/A輸出電壓減小,運放輸出電壓降低,Q1導通程度減小,導致輸出電流減小,為了系統(tǒng)準確性高,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

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

交流采樣算法采用均方根算法,交流電源電壓檢測電路如圖5所示。

 

 

3.4 LCD顯示與鍵盤設計

采用LCD顯示器顯示預設電流值、實際電流值、誤差等。系統(tǒng)采用128x64點陣12864液晶顯示器,可顯示漢字和圖形,設計友好的顯示界面。鍵盤設計采用4個按鍵,利用菜單模式,實現(xiàn)各種參數(shù)設置(如任意步進的設置),其接口簡單控制方便。

4 軟件設計

主程序流程圖如圖6所示。

 

 

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)實物圖如圖7所示,外接電源和負載分別進行誤差、負載調(diào)整率、紋波電流和線性調(diào)整率測試。

 

 

5.1 誤差測試

在范圍內(nèi)選定5個值進行測試比較,具體數(shù)據(jù)見表1。由數(shù)據(jù)分析可知,誤差率低于,其中Io為設定值,I1為采樣值,I2為電流表實測值,I%為誤差率,I%=|I2-I0|/Io× 100%。

 

 

5.2 負載調(diào)整率測試

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

 

 

5.3 紋波電流測試

負載設定為,分別測試輸出電流為,時,負載電壓峰峰值,紋波電流小于。

5.4 線性調(diào)整率測試

負載固定,輸出電流固定,改變輸入電壓值,分別進行測試,分析實際輸出電流值的變化,測試結果如表3所示,由數(shù)據(jù)分析可知,誤差率低于。

 

 

6 結論

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雙相反饋,形成閉環(huán)控制系統(tǒng),實現(xiàn)范圍內(nèi),誤差和紋波電流低于、負載調(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。

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