基于LPC938的高精度數(shù)控直流電流源的設(shè)計
總體方案選擇與設(shè)計
1方案論證與比較
① 主電路及調(diào)整方式的選擇
方案一 開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)整
開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)整方式效率高,普遍應用于計算機等現(xiàn)代數(shù)字儀器中,但一般紋波較大,難以控制,很有可能造成設(shè)計的失敗和技術(shù)參數(shù)的超標。
方案二 串聯(lián)反饋調(diào)整
該方案采用負反饋網(wǎng)絡(luò),從輸出電壓取樣與基準電壓比較,并將誤差經(jīng)放大器放大后反饋至調(diào)整管,使輸出電壓在電網(wǎng)電壓變動的情況下仍能保持穩(wěn)定。該電路輸出電壓穩(wěn)定性好,負載調(diào)整率高,引入的負反饋使紋波電壓大大減小,且電路簡單、容易調(diào)試。但其屬于線性穩(wěn)壓源,即調(diào)整管工作在放大區(qū),因而功耗比較大。
方案三 綜合以上兩種方案
結(jié)合開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)整與串聯(lián)反饋調(diào)整的優(yōu)點,在串聯(lián)反饋調(diào)整的基礎(chǔ)上增加一級預穩(wěn)壓,構(gòu)成智能恒壓差系統(tǒng),在保證調(diào)節(jié)范圍的基礎(chǔ)上減少功耗。
② 控制方案的論證比較
方案一 計數(shù)式數(shù)字電路控制
此方案使用計數(shù)器來來控制輸出電流的步進,是一種采用小規(guī)模數(shù)字電路的控制方法。其優(yōu)點是不需要軟件支持,但元件多、硬件電路復雜、控制呆板、步進難以改變,且精度不高,難以達到設(shè)計要求。
方案二 CPLD控制
采用大規(guī)模數(shù)字邏輯電路CPLD,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度控制,功耗也不大,但其成本高、設(shè)計復雜。
方案三 單片機控制
單片機控制系統(tǒng)具有成本低、控制靈活的特點,通過軟件的編制能夠?qū)崿F(xiàn)多種控制算法,且控制精度高、功耗低;特別是現(xiàn)代的增強型單片機,具有D/A、A/D、PWM、ICP等多種功能,能夠單片完成較復雜的控制要求,所以選擇單片機控制方式。
2 總體方案設(shè)計
綜上所述,我們設(shè)計了響應速度快的模擬內(nèi)環(huán)和調(diào)節(jié)精度高的數(shù)字外環(huán)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過面板按鍵對電流值進行預置,單片機輸出相應的數(shù)字信號,經(jīng)過PWM控制、信號放大、電平轉(zhuǎn)換,通過串聯(lián)式穩(wěn)壓調(diào)整管輸出電流信號。實際輸出的電流再利用精密電阻采樣變成電壓信號,經(jīng)過高輸入阻抗、高精度放大器、A/D轉(zhuǎn)換器,將信號反饋到單片機中。單片機將輸出反饋信號再與預置值比較,送出調(diào)整信號,再輸出新的電流。這樣就形成了模擬內(nèi)環(huán)和數(shù)字外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié),提高了輸出電流的范圍、精度、電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率,降低了功耗和紋波,并且電路簡單、步進可調(diào)、可擴展能力強(見圖1)。
圖1 總體設(shè)計方案
理論分析、電路設(shè)計與參數(shù)計算
電流源的硬件部分主要由單片機系統(tǒng)及A/D接口電路、PWM智能控制恒壓差及串聯(lián)調(diào)整模塊、鍵盤與顯示電路、控制電源模塊等組成。下面將分別對各部分進行分析并給出實現(xiàn)方案。
1 單片機系統(tǒng)及A/D接口模塊
單片機選P89LPC938,它是基于80C51內(nèi)核的高速、低功耗的帶片內(nèi)8Kb F1ash的8位單片機,其指令執(zhí)行時間只需2~4個時鐘周期,6倍于標準80C51器件。P89LPC938內(nèi)部主要集成了字節(jié)方式的I2C總線、SPI接口、UART通信接口、實時時鐘、EEPROM、PWM、ICP、A/D轉(zhuǎn)換等一系列有特色的功能部件。
本設(shè)計需要三路A/D采樣,其中對電流的采樣要有很高的精度,考慮到控制精度要求,我們用16位的ADS1100芯片(含PGA放大器)對輸出電流進行采樣,用938單片機的10位A/D轉(zhuǎn)換器對另外兩路信號進行采樣(P0.1,P0.2)。
由于P89LPC938和ADS1110內(nèi)部均帶有I2C總線,所以它們的連接很簡單。P89LPC938的P2.2,P2.3,P2.4,P2.5腳用于鍵盤顯示功能,P2.6,P1.6用于PWM的輸出。
2 PWM智能控制恒壓差及串聯(lián)調(diào)整模塊
此部分是整個硬件設(shè)計的核心,它直接關(guān)系到輸出電流的范圍、精度、紋波與電路的功耗。經(jīng)過反復調(diào)試,我們設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下(見圖2)。
圖2 系統(tǒng)總體框圖
① 開關(guān)電源預調(diào)整部分
如圖2所示,由于輸出電壓不能超過10V,為了提高效率,減少紋波,先通過降壓變壓器及整流橋?qū)?20V的交流電整成約18V的直流電,通過開關(guān)管Q1、Q2,續(xù)流二級管D5,儲能電感L1、L2和濾波電容C1、C2,構(gòu)成預穩(wěn)壓開關(guān)電源。單片機通過自帶的兩路A/D對串聯(lián)調(diào)整部分中達林頓管集電級和發(fā)射級的電壓進行采樣(AD0,AD1),通過它們的差值來調(diào)整PWM1的占空比,穩(wěn)定開關(guān)電源的輸出,從而構(gòu)成智能恒壓差控制系統(tǒng)。這樣,既可保證串聯(lián)調(diào)整電路所需的電壓差,又降低了串聯(lián)調(diào)整電路輸出的損耗,提高了恒流模塊的整體效率。在整個模塊輸入電壓發(fā)生較大變化時也能進行高精度穩(wěn)流,由于開關(guān)頻率遠高于工頻,紋波也會因此大大降低。
對于Q1、Q2,已知β=30,最大電流為2A,Ui=18V,有:
I=2/β=0.067A (1)
R1=(Ui-0.7-0.3)/IR1=254Ω (2)
取R1為270Ω,938管腳輸出的最大電壓為3V,通過R2的電流為:
IR2=IR1/β=0.067/30=0.0022A (3)
R2=(3-0.7)/IR2=1K (4)
由于本設(shè)計對紋波的要求比較高,所以穩(wěn)流電感L1、L2和濾波電容C1、C2的選取值至關(guān)重要。設(shè)電感L1的輸入電壓Vi,電感L2的輸出電壓Vo,則占空比為:
D=Vo/Vi=0.722 (5)
設(shè)工作頻率fS=10kHz,則TS=0.0001S,負載R取5Ω,紋波電壓為輸入電壓的0.5%,即ΔVo/Vo=0.5%,則:
L1=L2=(1-D)RTS/2=69.5μH (6)
C1=C2=VoDTS2/8LΔVo=2500μF (7)
② 串聯(lián)調(diào)整部分
這部分將單片機輸出的PWM方波通過多級RC濾波,形成平穩(wěn)的基準電壓,作為模擬內(nèi)環(huán)的給定值,電流輸出范圍20~2000mA,步長最小1mA,共有1880個數(shù)值。938的捕獲/比較單元內(nèi)部是16位的定時器,輸出至PWM2的占空比有65536種狀態(tài),滿足要求。
由于938單片機的A/D采樣電壓不能超過3V,而調(diào)整管的發(fā)射級輸出電壓最大為10V,集電級電壓穩(wěn)至13V,均超采樣的最大值,所以要進行分壓。R3、R4、R5、R6為分壓電阻,R4、R6可調(diào),取R3=3.3KΩ,R4=1kΩ,R3=2.2kΩ,R3=1KΩ,可滿足要求。
R8為采樣電阻(采用電流表中的標準分流電阻,穩(wěn)定性好,精度高),其值取為0.1Ω,它將輸出電流以電壓的方式輸入到放大器A2的同相端。其中,R12為保護電阻,其上的電流可以忽略不計。放大器的輸出經(jīng)ADS1110高精度A/D轉(zhuǎn)換器反饋到單片機,與給定進行比較,構(gòu)成外部數(shù)字閉環(huán)控制。設(shè)A2的輸入電壓為U1,輸出電壓為U2,根據(jù)電流相等有:
(U2-U1)/R13=U1/(R14+R15) (8)
可得放大倍數(shù)為:
U2/U1=R13/(R14+R15)+1 (9)
U1最大為0.1Ω×2A=0.2V,U2最大為3V,所以放大器A2的放大倍數(shù)設(shè)置為15較為合理。據(jù)此可取R13為10kΩ,R14為0.5kΩ,可變電阻R15取為1kΩ,其放大倍數(shù)范圍為6.7〜20,滿足要求。
內(nèi)環(huán)模擬調(diào)節(jié)由調(diào)整管Q3、Q4、差動放大器A1(輸入阻抗高,具有較高的共模抑制比)及輔助元件構(gòu)成,采樣電壓通過放大器A2輸入到差動放大器的反向端,PWM2輸出電壓濾波后到差動放大器的同向端,當輸出電流低于設(shè)定值時,差動放大器輸出為正,調(diào)整管導通,輸出電流增大,直到與設(shè)定值相等。
D7、D8、D9、Q5組成過流保護電路,若輸出電流由于干擾偏離給定值太大時,差動放大器輸出電壓便很大。當其超過 0020一定值時,Q5便導通,切斷調(diào)整管的基極電流,關(guān)閉輸出,起到了過流保護的作用。
3 鍵盤及顯示模塊
鍵盤與顯示模塊的工作原理如下:單片機通過DIN端口,將需要顯示數(shù)據(jù)的端碼和位碼信息在SCLK脈沖的控制下分別移入到兩片74HC164和595中,段碼在164中,位碼在595中,之后通過RCLK脈沖送出位碼信息完成數(shù)據(jù)顯示。ReadKey端口是鍵盤檢測口。在該部分的軟件先取數(shù)據(jù)輸出顯示,顯示后緊接著查詢ReadKey端口(對應位碼)是否為低電平,如果為低電平則記錄送出的位碼信息。之后,進行第二次循環(huán),顯示數(shù)據(jù)并查詢ReadKey端口,當ReadKey端口為高電平或是在ReadKey端口為低電平時記錄的位碼信息與上次不相同時放棄鍵處理;當兩次讀ReadKey端口為低電平記錄下的位碼信息相同時進行相應的鍵處理操作。
圖3 主程序流程圖
主程序設(shè)計
在系統(tǒng)加電后,主程序首先完成系統(tǒng)初始化,包括ADS1110、I2C口、SPI口、中斷、定時/計數(shù)器、CCU中與PWM輸出相關(guān)的寄存器等工作狀態(tài)的設(shè)定,給系統(tǒng)變量賦初值,顯示上次預置值等;然后掃描獲取鍵值,執(zhí)行相應的功能子程序。當啟動鍵按下后,根據(jù)預置值、步長等參數(shù)計算對應輸出的數(shù)字量,再進行閉環(huán)反饋調(diào)整。
測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析
1測試器材
DF1930數(shù)字毫伏表、Thurlby1905a型數(shù)字表(四位半電壓表)、100M雙蹤數(shù)字存儲示波器TDS2012、直流穩(wěn)壓電源LPS-305(0〜30V/3A)、六位半數(shù)字多用表HP34401A、電阻箱(0.5〜5Ω、5〜50Ω、50〜500Ω)。
2測試方法、數(shù)據(jù)與結(jié)果分析
設(shè)定輸出電流2000mA,負載電阻由0.5〜5Ω變化時,電流源負載特性數(shù)據(jù)及紋波計算如表1。
由表1可知,最大偏差ΔImax=2.8mA,紋波電流的平均值為0.129mA,最大值為0.191mA,滿足高精度、低紋波的要求。
結(jié)語
本設(shè)計的創(chuàng)新之處是綜合考慮了精度、紋波、功耗、復雜度等方面的要求,較好的完成了一個高精度數(shù)控直流電流源的設(shè)計制作與調(diào)試,達到了較高的技術(shù)指標。但是,看似簡單的電源,也有很多值得仔細研究的地方,比如電路的穩(wěn)定性(如何克服閉環(huán)振蕩,包括寄生振蕩),精度的提高,紋波的減少,動態(tài)響應的品質(zhì)及造成測量誤差的諸方面,這些都值得我們更進一步地研究與學習。