一種基于STM32的高精度程控電流源設(shè)計(jì)

低紋波、高精度電流源是一種重要的儀器設(shè)備;廣泛應(yīng)用于電光源、電化學(xué)、通信、測量技術(shù)、電子儀器等領(lǐng)域。目前，市場上的電流源不具備連續(xù)可調(diào)功能;并且輸出電流范圍小、精度低、紋波大、價(jià)格昂貴;為應(yīng)對(duì)市場需求;本文設(shè)計(jì)了輸出電流為0~5A;最大功率為100W的高精度程控電流源;主要技術(shù)指標(biāo)為：電流源工作電壓220V/50Hz;輸出電流范圍0~5A連續(xù)可調(diào);線路調(diào)整率《0。05%+0。1MA;負(fù)載調(diào)整率《0。05%+1MA;設(shè)準(zhǔn)確度?0。05%+2MA;回讀準(zhǔn)確度《0。05%+2MA;系統(tǒng)設(shè)定分辨率為0。1MA;回讀分辨率為0。01MA。

1、線性穩(wěn)流原理

數(shù)控式線性穩(wěn)流電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由調(diào)整管、誤差放大器、電流檢測器、D/A、A/D、MCU控制系統(tǒng)組成。當(dāng)調(diào)整管工作在放大狀態(tài)下，通過控制調(diào)整管基極電位，從而控制管壓降UCE的大小，為了使輸出電流穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載變化或者輸入電壓UI波動(dòng)時(shí)，需要調(diào)整UCE，使輸出電流保持不變。采用電流檢測和誤差放大器構(gòu)成負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)來達(dá)到穩(wěn)流目標(biāo)?假設(shè)UI或RL增大，輸出電流增大，電流檢測電路輸出電壓U+增大，若控制電壓UC保持不變，誤差放大器輸出U0l減小，調(diào)整管的管壓降UCE上升，使輸出電流保持不變。設(shè)電流檢測電路電壓放大倍數(shù)為K，由運(yùn)算放大器的虛短、虛斷特性可得：

U+=KRI=Uc(1)

從而得到，I=UC/KR。因此，該電路能達(dá)到穩(wěn)流目的。由式(1)可知，通過改變控制電壓UC的大小，可改變輸出電流的大小。MCU系統(tǒng)通過D/A器件可達(dá)到輸出電流程控目的。

圖1 線性穩(wěn)流電路原理

2、電流源硬件設(shè)計(jì)

電流源硬件框圖如圖2所示，由T頻變壓器、單相橋式整流濾波、一次穩(wěn)壓、線性穩(wěn)流、輔助電源、STM32系統(tǒng)、D/A和A/D組成。輔助電源采用LM317、LM337、LM7805、LM7905、AMS1117電源管理芯片，提供電路中芯片正常工作的電壓。STM32單片機(jī)系統(tǒng)通過D/A控制線性穩(wěn)流輸出，通過A/D讀取輸出值，從而到達(dá)程控目的。

圖2 基于STM32的電流源硬件框圖

2.1、STM32單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用STM32F407VGT6作為核心處理器。該處理器是基于ARMCortex-M4內(nèi)核的低成本處理器，具有豐富的外設(shè)資源，主要用于電機(jī)控制，自動(dòng)化，電子測量等應(yīng)用領(lǐng)域。STM32單片機(jī)系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，由RS232串口電路，液晶顯示模塊，按鍵及旋轉(zhuǎn)編碼器，串行FLASH組成。系統(tǒng)通過按鍵和編碼器獲取用戶輸入，通過顯示模塊進(jìn)行人機(jī)交互，RS232串口用于傳送SCPI控制指令，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)連接，串行FIASH采用SST25VF芯片，用于掉電時(shí)儲(chǔ)存運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖3 STM32單片機(jī)系統(tǒng)硬件框圖

2.2、變壓器抽頭選擇電路設(shè)計(jì)

為了提高程控電流源的精度以及減小系統(tǒng)功耗，在交直流變換中通過改變變壓器抽頭選擇與設(shè)置電壓相近的電壓。變壓器抽頭選擇電路，主要由滯回比較器和繼電器組成。如圖4所示，變壓器有34V、28V、22V、16V以及10V交流輸出.STM32處理器計(jì)算相應(yīng)的電壓量程后，通過控制S1、S2、S3、S4繼電器開關(guān)來選擇交流輸入電壓，本電路默認(rèn)輸入10V的交流電壓。電流源輸出電壓經(jīng)Ris與R19分壓得來，為了穩(wěn)定輸出電壓，在電路中加入滯回比較器，并把輸出電壓接到比較器正相端。

圖4 變壓器抽頭選擇電路

2.3、程控穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)

程控穩(wěn)流電路如圖5所示，主要有電流檢測電路、誤差放大電路、誤差放大穩(wěn)壓電路組成。電流檢測電路主要有電流檢測芯片INA286以及檢測電阻(R59)組成，當(dāng)電流通過R59時(shí)，R59產(chǎn)生一個(gè)電壓從而把檢測電流轉(zhuǎn)換成電壓，通過INA286將此電壓進(jìn)一步放大得到Usence，并其輸入到誤差放大器。通過OPA2188將Usence與設(shè)置電壓(DA—Vin)比較后控制控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度，從而控制電流大小。調(diào)整管采用兩個(gè)達(dá)林頓管TIP147并聯(lián)構(gòu)成，降低單管電流，提高調(diào)整管的使用壽命。

考慮到本電路輸出最大電流為5A，檢測電流電阻的精度會(huì)影響到系統(tǒng)的精度，若電阻阻值選擇過大，在大電流情況下發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致電阻阻值變化，從而影響系統(tǒng)的精度。采用DALE的高精度低溫漂電阻作為電流檢測電阻，阻值為0.01歐，在最大電流情況下該電阻的功率為0.25W.

圖5 穩(wěn)流電路

2.4、A/D和D/A電路設(shè)計(jì)

如圖6所示，由于電流源要求設(shè)定分辨率為0.1mA，需要采用13bit以上的D/A轉(zhuǎn)換芯片作為電流控制功能。本文采用TI公司的DAC8830轉(zhuǎn)換芯片。電路輸出5A時(shí)，電流檢測輸出為SV。考慮到給予輸出電流一定的余量，電流源設(shè)計(jì)成最大輸出為5.5A。D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓采用2.5V，在5.5A輸出時(shí)，D/A電路需要輸出s.sV，因此需要在D/A輸出端加入一級(jí)電壓放大器。此時(shí)，D/A的控制精度為1LSB=5.5/2‘6=0.084mA。

圖6AD和DA電路

電流源的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求回讀分辨率為0.01mA，需要采用19bit以上的A/D才能滿足設(shè)計(jì)要求。本文采用24bit模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片LTC2400。通過R4和R5的分壓使輸入電壓不會(huì)超過2.048V基準(zhǔn)電壓。電流回讀精度為0.68uA。

3、電流源軟件設(shè)計(jì)

電流源軟件設(shè)計(jì)分為界面顯示和控制兩部分，主要功能有恒流輸出，任意波形電流輸出，按上次運(yùn)行參數(shù)輸出。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于串口通信的SCPI指令解析器，PC端可通過SCPI指令對(duì)電流源進(jìn)行控制。

3.1、程控界面軟件設(shè)計(jì)

電流源采用5inch800x480分辨率TFT顯示模塊進(jìn)行界面顯示，通過按鍵和旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。系統(tǒng)移植了嵌入式uCGUI界面系統(tǒng)，通過函數(shù)庫調(diào)用完成界面設(shè)計(jì)。界面控制流程圖如圖7所示，完成界面創(chuàng)建后，系統(tǒng)等待輸入信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)來到時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)類型進(jìn)入對(duì)應(yīng)的子函數(shù)。

圖7界面控制流程圖

3.2、電流輸出控制程序設(shè)計(jì)

電流輸出分為恒流輸出和任意波形輸出。恒流輸出需要設(shè)置輸出電流值，運(yùn)行時(shí)間。恒流輸出開始時(shí)，系統(tǒng)獲取設(shè)置參數(shù)，并將設(shè)置電流值轉(zhuǎn)換為D/A設(shè)置值，啟動(dòng)系統(tǒng)計(jì)時(shí)器，控制D/A輸出并通過A/D讀取輸出電流。當(dāng)運(yùn)行結(jié)束信號(hào)有效時(shí)，輸出結(jié)束。任意波形輸出需要設(shè)置每個(gè)步序的上升時(shí)間，升畢電流值，頂部維持時(shí)間。具體控制流程如圖8所示，系統(tǒng)獲取輸人參數(shù)后，啟動(dòng)定時(shí)器，根據(jù)上升時(shí)間判斷該時(shí)間階段是否處于電流上升階段，若是，計(jì)算上升斜率值，控制D/A輸出;否則，系統(tǒng)根據(jù)頂部維持時(shí)間判斷該時(shí)間段是否處于電流維持階段，若是，輸出D/A值不變;否則，本步序輸出結(jié)束。

圖8任意波形電流輸出控制流程圖

3.3、SCPI指令解析器設(shè)計(jì)

SCPI指令是針對(duì)串口和GPIB接口的通信命令，由標(biāo)準(zhǔn)ASCⅡ碼組成.IEEE488.2中定義SCPI命令位于硬件層之上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同儀器的控制功能。PC端可通過SCPI指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電流源的監(jiān)測和控制。本文設(shè)計(jì)兩類SCPI指令，一類是SCPI公用指令，以字符‘*’開始，如查詢?cè)O(shè)備信息，系統(tǒng)復(fù)位等。另一類是電流源專用指令，分別為電流設(shè)置命令，電流回讀命令，狀態(tài)查詢命令，輸出使能/無效命令。一條SCPI指令包括指令題頭，分隔符，指令參數(shù)。例如CURR:DCl.0，CURR：AC是本條指令題頭，表示電流設(shè)置，設(shè)置為恒流模式，1.0是指令參數(shù)，表示設(shè)定恒流輸出為1A。表1列出了本電流源系統(tǒng)用到的專用指令。

表1 電流源專用SCPI指令列表

本文采用查表法實(shí)現(xiàn)SCPI指令解析。當(dāng)接收到SCPI指令時(shí)，系統(tǒng)首先判斷指令的語法是否正確，若語法錯(cuò)誤，返回錯(cuò)誤代碼，若正確，則對(duì)指令進(jìn)行預(yù)處理，并在已存的指令表中查找對(duì)應(yīng)的人口函數(shù)。軟件流程如圖9所示。

圖9SCPI指令解析流程

4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1、電流源輸出精度實(shí)驗(yàn)

高精度程控電流源樣機(jī)如圖10所示，為了驗(yàn)證電流源輸出精度，將4Q電阻負(fù)載接人電流源，采用UT61E電流表進(jìn)行測量，在輸出0—5A測得對(duì)應(yīng)的輸出值。表2列出了部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中可得到，本電流源設(shè)置精度可達(dá)到0.05%+2mA，回讀分辨率可達(dá)到0.05%+2mA，滿足設(shè)定的指標(biāo)。

圖10 高精度程控電流源樣機(jī)

表2電流源輸出精度數(shù)據(jù) 單位：mA

5、結(jié)束語

采用線性穩(wěn)流結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種高精度程控電流源系統(tǒng)。電流源最大輸出功率為100W.輸出電流范圍0—5A，設(shè)置精度可達(dá)到0.05%+2mA，回讀分辨率可達(dá)到0.05%+2mA。軟件上設(shè)計(jì)了SCPI指令解析器，可通過指令實(shí)現(xiàn)控制功能。通過實(shí)驗(yàn)證明，該電流源工作穩(wěn)定，精度高，電流輸出范圍大，滿足工程需要。