基于單片機的數(shù)控恒流源系統(tǒng)設計

摘要：主要介紹了一種高穩(wěn)定性恒流源系統(tǒng)的設計方案，該系統(tǒng)在負載為1Ω～15Ω時，恒流輸出可調范圍0A～1A，且恒流源電流可以在該范圍內任意設定，精度為±3mA。該恒流源系統(tǒng)主要由PIC單片機電路、ADC采集電路、DAC控制電路、鍵盤輸入電路、液晶顯示電路、集成運放及大功率MOS管等組成。實驗結果表明該方法調節(jié)簡單方便、穩(wěn)定可靠。

關鍵詞：PIC單片機;ADC;DAC;恒流源

恒流源是一種能夠提供恒定電流的電源裝置，隨著科技的發(fā)展它的用途也越來越廣泛，在核測井領域、LED照明領域、超導領域以及現(xiàn)代通信領域，都有較廣泛的應用。理想的恒流源輸出是恒定不變的，而恒流源電路由于負載的溫度性能、供電電源的紋波大小、調節(jié)的控制方法、單片機及相關控制電路的穩(wěn)定性等因素，使得實際的輸出會有不同的波動，為了盡量減小這些因素的影響，本文采用了穩(wěn)定可靠的電路及閉環(huán)反饋控制等方法，提高了恒流源輸出的穩(wěn)定性和可控性。

1 恒流源系統(tǒng)的組成

文中采用PIC單片機作為核心控制器件。恒流源系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由單片機電路模塊、ADC電路模塊、DAC電路模塊、恒流源控制驅動和電流采樣電路模塊組成。系統(tǒng)通過LCD液晶顯示器和獨立鍵盤實現(xiàn)了簡單的人機交流;LCD液晶顯示器顯示電流值以及一些相對應功能，而小鍵盤則用來實現(xiàn)人為的控制恒流源輸出。PIC單片機采用型號為PIC 24HJ64GP504通用單片機，其功能完備，具有較高的性能和較低的成本，是首選的小型控制系統(tǒng)核心控制芯片。該系統(tǒng)利用單片機將電流控制值及設定值通過換算轉換成DAC的輸出，該輸出通過恒流源驅動電路實現(xiàn)對電流控制。輸出電流經采集放大后，送至ADC并反饋到單片機控制系統(tǒng)中，在單片機中通過補償運算調整恒流源電流的輸出，從而達到提高輸出的精度和穩(wěn)定性目的。

2 恒流源系統(tǒng)主要電路設計

2.1 恒流源電路設計

恒流源電路原理結構圖如圖2所示。主要通過對功率MOSFET管柵極電壓的控制實現(xiàn)對恒流源電流的控制。單片機通過SPI總線將設定或調整值的數(shù)字量送至DAC轉換變成模擬信號，再經過運放跟隨及R4、R3分壓后送至恒流源控制處，從而實現(xiàn)對恒流源電流的調節(jié)?？刂葡到y(tǒng)在控制恒流源電流的同時，通過采樣電阻R5將電流大小采樣回來，經放大器放大后送至ADC芯片，從而實現(xiàn)了單片機對輸出電流實時監(jiān)控。當監(jiān)控到的電流與設定值有差別時，將通過這種閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)對輸出電流進行調整。當改變負載大小時，在這種調節(jié)下基本不影響電流的輸出。由圖2可知，由于恒流源電流、功率均較大，如果與主控電路使用同一電源，會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此采用獨立電源供電，該電源采用帶回路端的24 V電源，這就使得控制電路的供電與恒流源供電相互獨立，互不影響。

2.2 PIC單片機及外圍電路

PIC單片機控制系統(tǒng)是整個控制恒流源的控制核心，主要由單片機、晶振、編程調試接口及濾波電容等組成。最小系統(tǒng)電路如圖3所示。其中MCU選用PIC公司的PIC24HJ64GP5 04單片機。該款單片機是一種低功耗、高性能16位微控制器，具有64 k在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，其晶振頻率可達40 MHz，8 k字節(jié)RAM，44個引腳，5個16位定時器/計數(shù)器。同時其具有功耗低、體積小、技術成熟等優(yōu)點。

2.3 ADC采集電路設計

ADC采集輸入電路如圖4所示。為了滿足取樣精度需要，我們選擇12位ADC轉換器TLV2541芯片;該ADC是一種高性能，12位，低功耗，COMS 的串行ADC，單通道輸入，輸出接口數(shù)SPI總線，有片選(CS)、串行時鐘(SCLK)和串行數(shù)據輸出線(SDO)三根控制線，這三根線直接接至PIC 單片機的SPI外設端口上。ADC的基準采用REF3225提供2.5 V的基準電壓，它有低漂移、高精準的特點，該系列的基準芯片特別適合于做數(shù)據采集使用。TLV2541在讀取數(shù)據時，需要保證嚴格的時序要求，并給足足夠的轉換時間。

2.4 DAC控制電路設計

DAC控制輸出電路如圖5所示，DAC用的是TI的TLV5618。其中DACS、SDO、SCK與單片機連接的SPI接口，單片機通過該SPI協(xié)議口將數(shù)據送至DAC，并進行調節(jié)控制。DAC的輸出端經過運放跟隨放大后送至恒流源電路，從而調節(jié)恒流源電流的大小。TLV5618是12位DAC，DAC每位調節(jié)電流步長可達1/4096A，這遠低于要求精度。TLV5618需要接外部基準電壓，文中選取REF3212為DAC提供1.25 V的基準電壓。其輸出電壓范圍為基準電壓的兩倍乘以編程值。

3 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件程序流程圖如圖6所示。在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括ADC、DAC、中斷、定時/計數(shù)器等工作狀態(tài)的設定，給系統(tǒng)變量賦初值，顯示上次設定值等。然后掃描鍵盤，獲取鍵值，判斷功能鍵是否被按下，一旦按下將執(zhí)行相應的功能模塊;否則，根據設定值、校正等參數(shù)計算對應輸出的數(shù)字量，送給DAC實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

4 電路測試結果及分析

測試所用儀器：數(shù)字萬用表，5 V及24 V直流電源。為了比較測量值和真實值的誤差，我們在0 A～1 A之間選定了10個值相比較，記錄測量數(shù)據并分析誤差。

當負載為10 Ω，輸出電流步進為10 mA時，輸出電流預置值、顯示值和測試值的對照見表1。

表1中顯示值是ADC采集回來的數(shù)據，經過濾波處理后的值，測量值是萬用表顯示的讀數(shù)，由表中結果可知經濾波處理后的數(shù)據基本近似于電流設定值，而萬用表測量值與程序測量值有一定誤差，這主要是由于系統(tǒng)測量本身存在誤差，且所用的24 V電源紋波較大，使得萬用表讀數(shù)受到影響，而程序對ADC采集數(shù)據做了濾波處理，使得其數(shù)據更平穩(wěn)，但無論哪種測量值其與設定值誤差均在要求精度內。

為了更好地說明該恒流源系統(tǒng)的性能，文中測試了相同設定值不同負載的電流值，其測試數(shù)據見表2所示。該測試結果表明，恒流源在負載變化時雖然有較小誤差，但基本能保證其電流值的恒定不變。

5 結論

本文是以PIC24HJ64GP504單片機為核心控制器件，利用DAC、ADC和運算放大器及大功率MOSFET管組成負反饋系統(tǒng)，來完成整個恒流源系統(tǒng)電流的測量與控制。這種閉環(huán)反饋控制方法使得恒流源電流能及時快速地回調，增強了系統(tǒng)的可控性及穩(wěn)定性;同時，還可以方便地通過鍵盤在 0 A～1 A范圍內任意設定恒流源電流值，即使負載變化較大，該系統(tǒng)也能及時調整輸出電流，使電流恒定。另外，該系統(tǒng)電路簡單、成本低、可靠性高，具有較為廣闊的市場前景和應用價值。