Design of Digital Current Source with Low Ripple and High Precision

Abstract: This paper introduces the digital current source with low ripple and high precision. Low ripple and high precision are accomplished by current-enlarging transistor and feedback circuit of precise operational amplifier and digital PI closed-loop control. The current source is used conveniently, of which the LCD displays more data and the output power is convenient to be enhanced, of which the performance is stable.
Key words: ripple, precision, feedback control, digital PI controller

摘要：本文介绍了一种低纹波高精度数字电流源，通过扩流晶体管、高精度运算放大器反馈电路和数字PI调节器闭环控制实现了输出电流纹波小、精度高。该电流源控制方便、显示数据量大，性能稳定、输出功率易于扩展。
关键词：纹波、精度、反馈控制、数字PI调节器
 
0 引言
本文提出了一种低纹波高精度数字电流源的设计方法。该数字电流源是以AVR单片机MEGA16(1)为核心，通过V/I转换电路实现电流给定、电流步进调整的功能；同时利用A/D转换器采集电流反馈信号，使用PI数字调节器算法实现电流闭环反馈控制；在此基础上还实现了串行通讯功能，可用计算机实现对该电流源电流的监控。
要求该电流源最大输出电流2A，输出电流的调整可通过数字键盘直接输入，也可通过按键步进输入，最小步进单位是2mA，最大纹波电流<0.5mA。

1 硬件设计及工作原理(如图1所示)
1.1电源部分
由于系统要求最大纹波电流<0.5mA，而且最大输出电流达2A，故给V/I单元提供电源的直流电压源的性能将会对电流源有较大的影响。因为对电流纹波要求较高，本系统采取了线性电压源。
在设计过程中考虑了两种方案：
方案一、采用大功率直流电压可调模块LM338，如图2所示。

方案二、采用7815输出直流15V，再用功率管TIP122扩流，如图3所示。

在后期的实际制作中发现，如果采用方案一，当电流源输出的电流超过1A时，纹波电流激增，超过100mA。采用方案二，输出的纹波电流能够达到系统要求的0.5mA。而且采用方案二，通过更换扩流晶体管即可改变最大的输出电流，而纹波电流不会增加。这是因为当LM338的输出电流较大时，LM338的热稳定性下降，内部调整电路的热噪声加大了输出中的纹波电流。系统最终采用了方案二。
1.2 V/I转换部分
V/I转换电路由精密运放TLV2262与晶体管T1，T2组成的达林顿电路构成。精密运放TLV2262用于电压跟随器方式，利用晶体管线性段的理想输出特性和深度的负反馈电路得到可调整的稳定的恒流输出，系统带负载能力强。其输出范围达到0～2A，负载电阻<5Ω。电路如图4所示。
 

由于Rf用于电流反馈，其精度对输出电流的精度影响很大。故采用大线径康铜丝制作反馈电阻Rf，其温度系数很小(5ppm/C)，电阻为1Ω。T2选用TIP122大功率管，使用大散热片和冷却风扇，以保证管子工作的热稳定性。
            （式1）

1.3 A/D、D/A转换部分
A/D和D/A信号转换均采用了12位的芯片，分别是MAX144和MAX539，数字量的接口均为串行SPI方式，连线少、使用方便。参考电压为3V。

1.4 键盘和LCD显示及串行通讯部分
键盘采用4×4行列式键盘，除了0-9十个数字键外，有一个电流数值输入确认键，一个电流数值修改键，一个电流输出启动键，一个增1键，一个加10键，一个减10键，总共十六个键。
用于显示的LCD采用金鹏科技有限公司的OCMJ4X8（128X64）中文集成液晶显示模块(2)。
使用MAX232CPE或MAX485(3)芯片和主控制MEGA16上的串口，可完成通过计算机或其他控制设备进行电流给定和电流监测的功能。

2 软件设计及工作原理
首先系统主控芯片MEGA16将预置的电流值通过D/A芯片MAX539输出电压给V/I电路，经过转化产生相应的电流并显示。电流反馈电路将反馈值通过A/D芯片MAX144输入MEGA16，通过数字PI调节器对输出的电流值进行调整，实现高精度的闭环反馈控制。程序流程图参见图5。

2.1 数字PI调节器设计
考虑本系统对电流的动态调整性能要求不高，数字PID中的D调节在本系统中作用不大，为减少主控芯片的计算量和提高处理速度，故采用增量型PI算法，计算公式如下
 (式2)
根据此公式编制出PI算法程序，使用PI算法能否达到设计的调节品质，关键在于调整好比例系数KP、积分系数KI二个参数。各个参数的取值大小分别对系统的性能有不同的影响(4)。
(1)比例系数KP KP增大，将使系统的动作反应速度加快，稳态误差减小；但是KP增大，将使系统趋于振荡或振荡加剧，调节时间加长；KP太大时，系统会趋于不稳定；KP太小，又会使系统的动作缓慢。
(2)积分系数KI 积分作用能消除稳态误差，提高系统的控制精度；KI小，积分作用强，使系统的稳定性下降；KI过小会使系统不稳定。
可采用临界灵敏度法整定PI调节器的KP、KI两个参数(5)。

2.2 A/D和D/A的非线性处理
对于A/D和D/A转换产生的非线性误差，在程序中采用了查表校正。

3 系统测试：
使用四位半ESCORT97数字万用表和DF1931双输入交流低频毫安表对系统进行了测量。

4结论
从实际测得的结果来看，该数字电流源的输出电流误差≤0.5%，纹波电流≤0.5mA。
本文的创新点：该数字电流源利用扩流晶体管使纹波电流有效地控制在0.5mA以内，以AVR单片机MEGA16为控制核心，通过精密运算放大器反馈电路和数字闭环PI调节器双重反馈控制，使输出电流误差≤0.5%；且该电流源操作简单，液晶显示的数据量大，电流量程调整比较容易。通过提高V/I转换电路的供电电压，即可提高该电流源的输出功率，扩大其应用的范围。

参考文献
（1）马潮 等，ATmega8原理及应用手册[M]，北京：清华大学出版社，2003
（2）金鹏科技有限公司，OCMJ中文模块B系列液晶图文显示器使用说明书，2004
（3）毛晓波，基于RS-485的分布式温度采集系统，微计算机信息[C]，2005，9-1，P2
（4）袁本恕，计算机控制系统[M]，合肥：中国科学技术大学出版社，1998
（5）陶永华 等，新型PID控制及其应用，北京：机械工业出版社，1998