基于LPC938的高精度數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)

總體方案選擇與設(shè)計(jì)
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(yīng)用于計(jì)算機(jī)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(jì)的失敗和技術(shù)參數(shù)的超標(biāo)。

方案二 串聯(lián)反饋調(diào)整
該方案采用負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，從輸出電壓取樣與基準(zhǔn)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(dòng)的情況下仍能保持穩(wěn)定。該電路輸出電壓穩(wěn)定性好，負(fù)載調(diào)整率高，引入的負(fù)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(diǎn)，在串聯(lián)反饋調(diào)整的基礎(chǔ)上增加一級(jí)預(yù)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(jì)數(shù)式數(shù)字電路控制
此方案使用計(jì)數(shù)器來來控制輸出電流的步進(jìn)，是一種采用小規(guī)模數(shù)字電路的控制方法。其優(yōu)點(diǎn)是不需要軟件支持，但元件多、硬件電路復(fù)雜、控制呆板、步進(jìn)難以改變，且精度不高，難以達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)復(fù)雜。

方案三 單片機(jī)控制
單片機(jī)控制系統(tǒng)具有成本低、控制靈活的特點(diǎn)，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(qiáng)型單片機(jī)，具有D/A、A/D、PWM、ICP等多種功能，能夠單片完成較復(fù)雜的控制要求，所以選擇單片機(jī)控制方式。

2 總體方案設(shè)計(jì)
綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)了響應(yīng)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(duì)電流值進(jìn)行預(yù)置，單片機(jī)輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過PWM控制、信號(hào)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(hào)。實(shí)際輸出的電流再利用精密電阻采樣變成電壓信號(hào)，經(jīng)過高輸入阻抗、高精度放大器、A/D轉(zhuǎn)換器，將信號(hào)反饋到單片機(jī)中。單片機(jī)將輸出反饋信號(hào)再與預(yù)置值比較，送出調(diào)整信號(hào)，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(fù)載調(diào)整率，降低了功耗和紋波，并且電路簡單、步進(jìn)可調(diào)、可擴(kuò)展能力強(qiáng)（見圖1）。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

理論分析、電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算
電流源的硬件部分主要由單片機(jī)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(duì)各部分進(jìn)行分析并給出實(shí)現(xiàn)方案。

1 單片機(jī)系統(tǒng)及A/D接口模塊
單片機(jī)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(jī)，其指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)時(shí)時(shí)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(jì)需要三路A/D采樣，其中對(duì)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(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，用938單片機(jī)的10位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)另外兩路信號(hào)進(jìn)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(gè)硬件設(shè)計(jì)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(fù)調(diào)試，我們?cè)O(shè)計(jì)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(yù)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(jí)管D5，儲(chǔ)能電感L1、L2和濾波電容C1、C2，構(gòu)成預(yù)穩(wěn)壓開關(guān)電源。單片機(jī)通過自帶的兩路A/D對(duì)串聯(lián)調(diào)整部分中達(dá)林頓管集電級(jí)和發(fā)射級(jí)的電壓進(jìn)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(gè)模塊輸入電壓發(fā)生較大變化時(shí)也能進(jìn)行高精度穩(wěn)流，由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于工頻，紋波也會(huì)因此大大降低。

對(duì)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(jì)對(duì)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(fù)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(jī)輸出的PWM方波通過多級(jí)RC濾波，形成平穩(wěn)的基準(zhǔn)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(gè)數(shù)值。938的捕獲/比較單元內(nèi)部是16位的定時(shí)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(jī)的A/D采樣電壓不能超過3V，而調(diào)整管的發(fā)射級(jí)輸出電壓最大為10V，集電級(jí)電壓穩(wěn)至13V，均超采樣的最大值，所以要進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(hù)電阻，其上的電流可以忽略不計(jì)。放大器的輸出經(jīng)ADS1110高精度A/D轉(zhuǎn)換器反饋到單片機(jī)，與給定進(jìn)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(dòng)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(dòng)放大器的反向端，PWM2輸出電壓濾波后到差動(dòng)放大器的同向端，當(dāng)輸出電流低于設(shè)定值時(shí)，差動(dòng)放大器輸出為正，調(diào)整管導(dǎo)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(hù)電路，若輸出電流由于干擾偏離給定值太大時(shí)，差動(dòng)放大器輸出電壓便很大。當(dāng)其超過 0020一定值時(shí)，Q5便導(dǎo)通，切斷調(diào)整管的基極電流，關(guān)閉輸出，起到了過流保護(hù)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(jī)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(cè)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(duì)應(yīng)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(jìn)行第二次循環(huán)，顯示數(shù)據(jù)并查詢ReadKey端口，當(dāng)ReadKey端口為高電平或是在ReadKey端口為低電平時(shí)記錄的位碼信息與上次不相同時(shí)放棄鍵處理；當(dāng)兩次讀ReadKey端口為低電平記錄下的位碼信息相同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的鍵處理操作。

圖3 主程序流程圖

主程序設(shè)計(jì)
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(shí)/計(jì)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(yù)置值等；然后掃描獲取鍵值，執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序。當(dāng)啟動(dòng)鍵按下后，根據(jù)預(yù)置值、步長等參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量，再進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào)整。

測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析
1測(cè)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(chǔ)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(cè)試方法、數(shù)據(jù)與結(jié)果分析
設(shè)定輸出電流2000mA，負(fù)載電阻由0.5〜5Ω變化時(shí)，電流源負(fù)載特性數(shù)據(jù)及紋波計(jì)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(jì)的創(chuàng)新之處是綜合考慮了精度、紋波、功耗、復(fù)雜度等方面的要求，較好的完成了一個(gè)高精度數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試，達(dá)到了較高的技術(shù)指標(biāo)。但是，看似簡單的電源，也有很多值得仔細(xì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的品質(zhì)及造成測(cè)量誤差的諸方面，這些都值得我們更進(jìn)一步地研究與學(xué)習(xí)。