|
Design and Realization of a High-Precision Numerical control Current Source
Abstract：The design adopts self-designed high accurate voltage source, Micro Control Unit (MCU), D/A converter and amplifier to control the on-state of Power MOS FET, to attain constant current. Finally achieve a high-precision constant current source by locking output with closed hardware loop, closed software loop, software real-time integrating, real-time filtering. The role of software is to compensate the temperature variance of sampling resistances by data segment interpolation, while the linear interpolation compensation is applied to intersegments, which improves the output precision further. It has advantages on high precision, simple construction, performance stable, easy operation, low cost and loaded capability.
Keywords：Current source; voltage source; MCU
摘 要： 采用自行设计制作的高精度电压源，利用单片机、D/A转换器、运算放大器等器件来控制场效应管导通状态的原理，达到了输出恒流的目的。整个系统采用89C52单片机作为主控部件，实现了电流可预置、可步进调整、输出的电流信号可直接数字显示的功能。采用硬件闭环、软件闭环、软件实时积分、实时滤波的方法，锁定输出电流，从而实现了高精度恒流源的目的。软件对相应数据进行数据分段查值补偿采样电阻的温度变化，段间采用线性插值补偿的方法，进一步提高了输出精度。该电流源具有精度高、结构简单、工作稳定、操作方便、成本低廉、带负载能力强等优点。
关键词：电流源；电压源；单片机 1 设计指标要求
设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。具体技术指标要求如下：
（1）输出电流范围：20mA～3000mA；（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10 mA；（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进为10mA；（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10 mA； （5）纹波电流≤2mA；（6）具有“+”、“-”步进调整功能，步进为1mA；（7）测量并显示输出电流，可同时显示电流的给定值和实测值，测量误差的绝对值≤测量值的0.1％+3个字。
2 设计方案 
图1 系统模块图
如图1所示，该系统由数控部分、供电部分和稳压输出三部分组成，采用了8位单片机89C52，双12位电压输出D/A转换器TLV5618A，12位高速采样A/D转换器ADS7816和具有高增益的运算放大器LM358及数字电位器CAT5113等器件，提高了输出电流的精度[1]。
以单片机为核心构建控制器，通过键盘对电流值进行预置，单片机输出相应的数字信号，经过D/A转换、信号放大、电平转换、压控恒流源，输出电流信号。实际输出的电流由精密电阻采样变成电压信号，经过高输入阻抗差动放大器、A/D转换，将信号反馈到单片机，将输出反馈信号再与预置值比较，送出调整信号，再输出新的电流，这样就形成了闭环调节，锁定输出电流，提高了输出电流的精度和稳定度。
为了满足控制精度必须提高A/D、D/A的精度，同时保证调整裕量，还采用了数控电位器来控制放大器的放大倍数，等于是将D/A、A/D的采样精度提高到18位。为了节约安装时间，采用了含8279芯片、19个按键、8个LED数码管的通用键盘显示板。
2.1 单元电路设计与计算
2.1.1 稳压源
图2稳压源电路
稳压源是电流源的工作电源，是高精度恒流的基础[2、3、4]。只有获得了高稳定度的电压才可以实现项目要求中的1mA精度的电流源。稳压源的设计核心架构为一个串联稳压源，如图2所示，用TL431恒流源和±5V电源给串联稳压差动放大器IC1ALM358提供电压基准和电源，保证稳定性优于0.5%的稳压源。该部分电路还为数控部分提供了一个5V的电源（因篇幅关系未画出稳压源电路图）。考虑电流源在10V/2A的要求并留有一定的裕量，故选定稳压源功率≥40W，稳压源的变压器T1、调整管Q2、整流二极管D5-D8都应满足功率指标要求。串联稳压效率大概为50%-80%，变压器选用100W的软磁钢变压器将220V降低为15V交流；15V交流经过D5-D8整流，C1滤波后给调整管Q2供电，因为主回路的电流至少为2A，故选用3A以上的整流管，调整管选用Icm为15A的2N3055。输出电流范围为20mA～3000mA，可计算出稳压电路中所需滤波电容的大小为C=10000uF[5]。为了保证使用可靠，方便，设计时考虑输出电压可从0-15V可调，并加装了散热器和风扇，保证能够长时间稳定工作。
2.1.2 恒流源
恒流源主要设计思路是：核心部分构成基本的恒流源电路，满足本项目的基本指标，控制部分可以直接运用12位A/D和D/A进行控制，也可以和数控电位器结合来提高控制精度[6、7]。恒流源核心部分主要由Q1场效应管IRF640、U5A运放LM358、采样电阻R12 0.45/5W构成，恒流源的数控部分主要由恒流基准源TL431、D/A TLV5618、A/D ADS7816及数控电位器CAT5113等器件构成（限于篇幅，未画出恒流源电路图）。TL431是一个三端基准恒流源，通过它构成一个基准电压，给A/D、D/A提供稳定的参考电压。取样电压经LM358放大后，输入A/D转换器，同时送入差动放大器U5A的反相端，D/A转换器的输出也通过放大送入差动放大器的同相端，将放大系数抵消，在U5C和U5D中接入100抽头的数控电阻，对被测量进行分段处理，在被测量小的时候增加放大，在被测量大时减小放大倍数，分段处理的目的是为了提高测量精度。例如，对被测范围分64段即 ，相当于增加了6位A/D。
3 监控软件
监控软件主要是实现电流预置、电流检测、电流控制、电流显示等功能。为了达到高精度的恒流目的，软件还要实现采样电阻的温度补偿、闭环控制、基准源变化自适应等功能。下面重点介绍几个关键的功能模块及算法。
3.1 采样电阻的温度补偿
采样电阻阻值的准确性是影响输出电流与预置值的一致性的关键因素，经综合比较，选用康铜丝作为采样电阻。康铜丝电阻具有随温度升高而升高的特性，但温度—电阻特性在较大范围内并非完全线性，因此，采用分段补偿方法，将20mA～2000mA分为200段，在此200个点上精确设定其电阻值，并在段内根据需要采用线性插值补偿方法进一步补偿。
3.2 软件闭环控制
软件闭环控制原理是将A/D采样的输出电流数据经过五点平滑滤波、两点递归数字滤波等方法进行数据处理，去调整D/A设置输出电流，从而保证实测输出电流与预置电流的一致性。五点滤波方法是指褶积滤波器的五点滑动平均计算法,五点滤波对信号还有平滑作用，它能够剔除由随机扰动引起的信号的毛刺。
两点递归滤波器也称循环数字滤波器，它的输出结果，不仅来自有限项输入之和，而且也用了以前的输出作为输入，也称为反馈输入，这里采用两点反馈，其公式为
4 系统测试与整机指标
4.1 标准负载为5
在室温条件下，对仪器进行了详细的测试，由于篇幅关系，仅列出部分测试项目中部分测试点的值。
4.2 改变负载使输出电压为2V时
5 结论
实际测试表明，该电路系统完全能达到设计参数要求，并在部分指标上优于设计要求。在实际应用中，工作稳定，是一款实用、价格低廉的高精度数控电流源。
本文作者创新点：采用硬件闭环、软件闭环、软件实时积分、实时滤波的方法，锁定输出电流，从而实现了高精度恒流源的目的。软件对相应数据进行数据分段查值补偿采样电阻的温度变化，段间采用线性插值补偿的方法，进一步提高了输出精度。 参考文献
[1] 刘星桥，陆秀银，唐碧强等. 基于单片机的高精度数字直流电流源设计[J].微计算机信息，2006，11-2：99～102
[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编[M].北京：北京理工大学出版社，2004
[3]谢自美.电子线路设计•实验•测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2000
[4]潘永雄，沙河，刘向阳.电子线路CAD实用教程（第二版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004
[5]蔡明生.电子设计[M].北京:高等教育出版社,2004
[6]马云峰，郑兆聚，穆效江.单片机控制的直流电流源设计[J].滩坊高等专科学校学报，1999(3)：60～61
[7]罗小巧，周丽丽，王亚平.高精度宽量程智能电流源的设计[J].电气电子教学学报,2004,(26)6:64～66
作者简介：陈明杰(1972-)，男（汉族），硕士，重庆工商大学计算机与信息工程学院讲师，研究方向：信号处理，电子技术，电子邮件cmj1818cmj@yahoo.com.cn 通信地址：400067 重庆市南岸区五公里重庆工商大学研究生处 陈明杰
|
