基于AVR單片機(jī)PWM功能的數(shù)控恒流源研制

隨著電子技術(shù)的深入發(fā)展，各種智能儀器越來越多，涉及領(lǐng)域越來越廣，而儀器對(duì)電源的要求也越來越高。現(xiàn)今，電源設(shè)備有朝著數(shù)字化方向發(fā)展的趨勢(shì)。然而絕大多數(shù)數(shù)控電源設(shè)計(jì)是通過高位數(shù)的A/D和D/A芯片來實(shí)現(xiàn)的，這雖然能獲得較高的精度，但也使得成本大為增加。本文介紹一種基于AVR單片機(jī)PWM功能的低成本高精度數(shù)控恒流源，能夠精確實(shí)現(xiàn)0～2A恒流。

系統(tǒng)框圖

圖1為系統(tǒng)的總體框圖。本系統(tǒng)通過小鍵盤和LCD實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流，小鍵盤負(fù)責(zé)接收要實(shí)現(xiàn)的電流值，LCD 12864負(fù)責(zé)顯示。AVR單片機(jī)根據(jù)輸入的電流值產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM波，經(jīng)過濾波和功放電路后對(duì)壓控恒流元件進(jìn)行控制，產(chǎn)生電流，電流再經(jīng)過采樣電阻到達(dá)負(fù)載。同時(shí)，對(duì)采樣電阻兩端信號(hào)進(jìn)行差分和放大，送入ADC。單片機(jī)根據(jù)采集到的值調(diào)整PWM輸出，從而調(diào)整了輸出電流。如此反復(fù)，直到電流達(dá)到設(shè)定要求。

圖1  數(shù)控恒流源系統(tǒng)框圖

模塊介紹

1 人機(jī)接口模塊

本模塊包括小鍵盤電路和液晶顯示電路。鍵盤設(shè)計(jì)為3×4鍵盤，由數(shù)字鍵0～9，功能鍵“刪除”及“確認(rèn)”組成，采用反轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)鍵值識(shí)別。顯示電路由帶中文字庫的LCD 12864構(gòu)成，該液晶可以每行8個(gè)漢字顯示4行。由于這部分電路比較簡單，在此不詳述。

2 核心控制模塊

系統(tǒng)的核心控制模塊為AVR單片機(jī)（ATMEGA 16L）。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。

AVR單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)具有16位PWM功能的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。在普通模式下，計(jì)數(shù)器不停地累加，計(jì)到最大值（TOP=0xffff）后溢出，返回到最小值0x0000重新開始。當(dāng)啟用PWM功能即在單片機(jī)的快速PWM模式下，通過調(diào)整OCR1A的值可實(shí)現(xiàn)輸出PWM波的占空比變化。產(chǎn)生PWM波形的機(jī)理是：PWM引腳電平在發(fā)生匹配時(shí)（匹配值為0～0xffff之間的值，如圖2中的C），以及在計(jì)數(shù)器清零（從MAX變?yōu)锽OTTOM）的那一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)生跳變，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2  PWM波產(chǎn)生過程

圖2中的C～F為OCR1A匹配值。從圖中可見，波形在每個(gè)匹配值處以及計(jì)數(shù)清零時(shí)輸出發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了PWM波。由于OCR1A的值可以從0x0000到0xffff，共有65535個(gè)值，因此PWM波的最大分辨率為1/65535，滿足系統(tǒng)分辨率設(shè)計(jì)要求。PWM波的頻率為：
        （1）

其中，f_{clk_I/O}為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率   （7.3728MHz），N為分頻系數(shù)（取1、8、64、256或1024）。在N取1時(shí)，根據(jù)式（1）得PWM波的最大頻率為7.3728MHz；當(dāng)N取1024時(shí)，PWM波的最小頻率為  7.2kHz。本系統(tǒng)N取256，PWM波頻率為28.8kHz。

單片機(jī)內(nèi)部有1個(gè)10位的逐次逼近型ADC，當(dāng)使用片內(nèi)VCC作為參考電壓V_ref，其分辨率為：
       （2）

若使用片內(nèi)的2.56V基準(zhǔn)源作為參考電壓，依據(jù)式（2）可得到其分辨率為0.003V。

當(dāng)系統(tǒng)需要更高的分辨率時(shí)，可以通過軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▉韺?shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方法可參考相關(guān)資料。

3 濾波和功放模塊

圖3  二階RC低通濾波電路

PWM波產(chǎn)生后不能直接用于控制MOSFET，需把其變成能隨占空比變化而變化的直流電壓。在此，我們選用二階RC低通無源濾波器，并取得了很好的效果。
二階RC低通無源濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：
         （3）

其中，A為通帶增益，Q為品質(zhì)因素，  ω0為截止頻率。根據(jù)式（1）算出PWM波的頻率，取截止頻率為30kHz，由式（3）可確定對(duì)應(yīng)的電阻、電容值。

由于無源濾波器的負(fù)載能力差，信號(hào)經(jīng)過二階無源濾波網(wǎng)絡(luò)后衰減比較厲害，需要增加一級(jí)功率放大電路。功放電路比較簡單，也有經(jīng)典電路，限于篇幅不再贅述。

4 恒流源模塊

恒流源采用的是壓控恒流元件IRF540，它的V_GS為20V，ID為33A。截止時(shí)，最大漏電流為1μA，導(dǎo)通電阻僅有0.04Ω，圖4為IRF540的特性曲線。

圖4  IRF540特性曲線

由圖4可知，當(dāng)V_GS為5V時(shí)，可輸出電流就可達(dá)到30A左右，完全能實(shí)現(xiàn)小電壓控制大電流的目的。具體應(yīng)用電路如圖5所示。

圖5  橫流電路

IRF540的G極接PWM波轉(zhuǎn)換后的直流電壓，D極接能提供15V/5A電流的電源（可采用開關(guān)電源），S極用來接采樣電阻和負(fù)載。采樣電阻應(yīng)采用溫漂系數(shù)低、阻值為10mΩ、精度為1%的大功率錳銅絲電阻。當(dāng)對(duì)采樣電阻兩端信號(hào)進(jìn)行差分后，可得到采樣電阻兩端的電壓值U，而在已知采樣電阻阻值情況下，很容易得到流經(jīng)采樣電阻的電流，即I=U/R。由于負(fù)載與采樣電阻在同一條支路，故流經(jīng)負(fù)載的電流也為I。差分放大電路的放大倍數(shù)可根據(jù)采樣電阻阻值以及ADC的參考電壓來選擇，圖5中要求R1=R3，R2=R4，放大倍數(shù)為R4/R3。需要注意的是該電路應(yīng)該具有很高的輸入阻抗，以減少對(duì)負(fù)載電路的影響。差分信號(hào)經(jīng)ADC口送入單片機(jī)進(jìn)行處理。

軟件設(shè)計(jì)

由圖6可知，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的閉環(huán)系統(tǒng)。由于PWM初始匹配值設(shè)置的大小不同，電流值在開始時(shí)可能會(huì)跟設(shè)定值有較大偏差。隨著閉環(huán)系統(tǒng)的自我調(diào)整，逐漸使輸出穩(wěn)定在設(shè)定值上下。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間以及穩(wěn)定后電流值波動(dòng)的幅度，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求由軟件來調(diào)整。

圖6  程序流程圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們對(duì)此數(shù)控恒流源進(jìn)行了負(fù)載測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：

從表1和表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，該恒流源在負(fù)載為100Ω以內(nèi)，最大誤差僅為2mA，在0～200mA段沒有誤差，滿足了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了較高的精度。

如果需要提高200mA段以上的精度，可采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)。即先測(cè)量足夠多的測(cè)試數(shù)據(jù)，然后采用曲線擬合方法對(duì)數(shù)據(jù)分段進(jìn)行補(bǔ)償，詳細(xì)方法可參考相關(guān)資料。

結(jié)語

本文介紹的基于PWM技術(shù)的數(shù)控恒流源電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，精度高，已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。如果設(shè)計(jì)要求更高的恒流值，可以更換更大功率的+15V/I電源，以及更換合適的壓控恒流元件。