基于單片機(jī)的高精度數(shù)字直流電流源設(shè)計(jì)

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改變電路中的電阻和電容，可進(jìn)行積分時(shí)間和放大系數(shù)的改變。
3.2.2 電流放大輸出
從PI控制輸出的電流較小，無法滿足系統(tǒng)輸出電流20mA-2000mA的要求，需附加電流放大電路。為了使電流源帶負(fù)載能力更強(qiáng)，電流放大電路接一個(gè)PNP型大功率三極管MJ2955輸出，采用NPN型通用三極管9013驅(qū)動(dòng)MJ2955?？紤]到MJ2955的電流比較大，功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重，系統(tǒng)中使用了散熱器并強(qiáng)迫風(fēng)冷，以保證MJ2955不被燒壞。PI調(diào)節(jié)電路及主電路如圖2。
3.2.3  負(fù)載電路
電源輸出端并聯(lián)30000μF的大電容穩(wěn)壓后，再串聯(lián)π型濾波電路濾波，減小電流波動(dòng)干擾；在負(fù)載正極和地之間并聯(lián)60000μF大電容用于減小電流紋波。
3.2.4  電流采樣電路
系統(tǒng)要求電流源輸出電流范圍為20mA到2000mA。當(dāng)輸出電流為2000mA時(shí)，若取采樣電阻為0.5歐姆，則采樣電阻上產(chǎn)生的功率為2瓦，這將導(dǎo)致采樣電阻發(fā)熱，電阻阻值發(fā)生改變，使得電流給定值與實(shí)測值之間產(chǎn)生很大誤差。康銅絲的電阻溫度系數(shù)比較小，因此系統(tǒng)選用康銅絲作為采樣電阻，用多根較粗的康銅絲并接，同時(shí)用風(fēng)扇給電阻降溫，以降低溫漂，保持采樣電阻阻值恒定。
3.3  AD和DA轉(zhuǎn)換模塊的選擇
凌陽61單片機(jī)自帶8個(gè)通道的10位AD轉(zhuǎn)換器，其中7個(gè)為普通AD轉(zhuǎn)換通道，另一個(gè)為語音信號(hào)輸入通道；61單片機(jī)也有兩路DA轉(zhuǎn)換。61單片機(jī)的10位AD和DA轉(zhuǎn)換分辨精度為1/1024，而系統(tǒng)輸出電流的誤差絕對(duì)值要求小于1mA，因此，應(yīng)該選用更高位數(shù)的AD和DA轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)采用12位AD芯片MAX197和12位DA芯片MAX531，基本滿足精度要求。
為提高AD和DA的可靠性，增加系統(tǒng)的抗干擾能力，提高轉(zhuǎn)換精度，系統(tǒng)中對(duì)AD和DA電源使用π型濾波器再次進(jìn)行濾波處理，避免干擾信號(hào)串入轉(zhuǎn)換電路。在沒有加入濾波電路之前，測得紋波電流為8mA；在加入濾波電路后，實(shí)際測得的紋波電流下降到0.8mA。
3.4  控制模塊
3.4.1  凌陽61單片機(jī)最小系統(tǒng)
SPCE061A主要包括輸入/輸出端口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、串行設(shè)備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監(jiān)測和復(fù)位等部分，并且內(nèi)置在線仿真電路ICE接口，較高的處理速度使其能夠快速的處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。SPCE061A 單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如應(yīng)用在家用電器控制器、工業(yè)控制領(lǐng)域。
3.4.2  單片機(jī)與AD、DA轉(zhuǎn)換的接口電路
系統(tǒng)采用單片機(jī)作為AD和DA轉(zhuǎn)換的控制模塊，只需考慮外部接口電路的設(shè)計(jì)，即可方便實(shí)現(xiàn)控制過程。芯片MAX531，MAX197均采用內(nèi)電壓基準(zhǔn)工作模式，單電源+5V供電。MAX531內(nèi)部給出2.048V基準(zhǔn)電壓，MAX197內(nèi)部給出4.096V基準(zhǔn)電壓。MAX531提供兩倍增益，即輸出電壓從0V到+4.096V。
 
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由于凌陽61單片機(jī)沒有類似于51單片機(jī)的控制總線，本系統(tǒng)中對(duì)AD、DA的讀寫等控制信號(hào)均采用輸出口模擬的方式來提供。AD和DA轉(zhuǎn)換電路如圖3和圖4。
 

3.4.3  鍵盤和顯示模塊
本系統(tǒng)沒有采用凌陽61單片機(jī)自帶的四鍵鍵盤，而是用83編碼器CD4532擴(kuò)展了8個(gè)鍵。這樣可以分級(jí)“+”,“-”調(diào)整電流源輸出，達(dá)到步進(jìn)1mA，10mA和100mA。系統(tǒng)提供了一個(gè)方便的用戶操作界面，體現(xiàn)了人性化設(shè)計(jì)的思想。
由于用數(shù)碼管顯示時(shí)接口電路復(fù)雜，考慮到更好的人機(jī)交互界面和方便的控制，系統(tǒng)使用液晶顯示模塊OCM4X8C，同時(shí)顯示電流給定值和實(shí)測值。
OCM4X8C液晶顯示模塊是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形；可與CPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機(jī)，即8位并行和串行兩種連接方式；具有多種功能，如光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等。
4  軟件設(shè)計(jì)
軟件是系統(tǒng)的重要組成部分,在設(shè)計(jì)軟件時(shí),主要從確保系統(tǒng)精確度,提高系統(tǒng)反應(yīng)速度、穩(wěn)定性及高效實(shí)時(shí)控制等幾方面出發(fā)。系統(tǒng)用C語言編寫液晶顯示菜單，同時(shí)顯示給定值與實(shí)際輸出測量值，液晶顯示穩(wěn)定可靠。鍵盤掃描程序通過讀取不同的鍵值實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)1mA，10mA和100mA分級(jí)“+”,“-”可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的精確控制，提高了效率。另外，系統(tǒng)主程序中加入了數(shù)字濾波，可以滿足測量誤差的要求。
 
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4.1  軟件實(shí)現(xiàn)的功能：
（1）完成AD和DA轉(zhuǎn)換
（2）控制液晶顯示
（3）讀取按鍵鍵值
4.2  系統(tǒng)軟件工作流程圖
（1）主程序和判斷程序流程圖如圖5。
（2）鍵盤掃描子程序流程圖如圖6。
（3）DA輸出顯示子程序流程圖如圖7。
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5  系統(tǒng)測試
給定電流在20mA-2000mA內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際輸出電流和誤差如表一；在負(fù)載電阻為4.936Ω時(shí)，輸出負(fù)載紋波電壓和紋波電流如表二。
系統(tǒng)測試結(jié)果表明：當(dāng)負(fù)載電阻變化時(shí)（負(fù)載電阻電壓小于15V），輸出電流恒定不變。系統(tǒng)給定電流在20mA-2000mA范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電流誤差絕對(duì)值在1mA以內(nèi)；通過測量負(fù)載電阻上電壓交流分量測得的紋波電流小于0.2mA。
6  結(jié)論
本文創(chuàng)新之處在于以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，使用12位的AD和DA芯片，輸出模塊引入PI控制器，設(shè)計(jì)出一種高精度數(shù)字直流電流源。當(dāng)需要程控電流在20mA-2000mA內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)輸出電流誤差小于1mA,電流紋波小于0.2mA，滿足系統(tǒng)高精度的要求。