数控直流电流源的设计与实现

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在电子设备中经常用到稳定性好、精度高、输出可预置的直流电流源。本文设计的数控直流电流源能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差,输出电流在20mA~2000mA可调,输出电流可预置、具有“+”、“-”步进调整、输出电流信号可直接显示和语音提示等功能。硬件电路采用凌阳单片机SPCE061A为控制核心,利用闭环控制原理,加上反馈电路,使整个电路构成一个闭环,在软件方面主要利用PID算法来实现对输出电流的精确控制。该系统可靠性高、体积小、操作简单方便、人机界面友好。

  系统硬件实现方案

  本设计采用单片机作为主要控制部件,通过键盘预置输出电流值并采用液晶模块实时显示。整个系统硬件部分由微控制器、电压-电流转换、键盘、显示、直流稳压电源和语音提示等模块组成。系统组成框图如图1所示。

图1 数控直流电流源的基本模块方框图

  微控制器是整个系统的核心,负责整个系统的运作。为了实现简化硬件电路、系统性能稳定可靠,便于实现语音播报、键盘设置和信息的实时显示等功能的协调,通过多种方案论证后,微控制器选用凌阳公司的SPCE061A,该单片机内部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-Driver等电路(与IC型号有关)。它采用精简指令集(RISC),指令周期均以CPU时钟数为单位。另外,它还兼有DSP功能,内置16位硬件乘法器和加法器,并配备有DSP拥有的特殊指令,大大加速了各种算法的运行速度。同时可以在Windows环境下使用凌阳单片机应用开发工具,该工具支持标准C语言和凌阳单片机汇编语言,集汇编、编程、仿真等功能于一体,大大加快了软件开发过程。用该单片机作为控制器比较合适,在硬件电路简单的前提下,容易实现A/D和D/A转换、语音提示、PID运算等功能。

  显示模块主要实现的功能是显示设置的电流输出值和其它人机交互信息。本部分可以采用七段数码LED显示器,显示数字、简单字母和小数点等信息,但由于其显示信息单一,人机交互不友好,本文采用字符型液晶显示屏LCDSMC1602A模块。该模块具有轻薄短小、低压微功耗、体积小、无辐射、平面直角显示及影像稳定不闪烁等优点,且可视面积大、面效果好、分辨率高、抗干扰能力强,适合用于显示字母、数字、符号等信息,而且不需要扩展过多外围电路,可由单片机直接进行控制输出显示。

  电压-电流转换模块由精密运放与三个晶体管组成的达林顿管电路构成。转换电路利用晶体管平坦的输出特性和深度负反馈电路使输出电流稳定,如图2所示,此V/I转换电路的带负载能力强,电流输出范围达0"3A。输出电流Io经反馈电阻RF得到一个反馈电压Vf,Vf= V11-V12,通过R5、R6加到运算放大器的两输入端,设运放两端的电为V1、V2,Vi由单片机DAC输出。因为理想运放的输入电流约等于零,且V1=V2,则:

  V12[1-R6/(R2+R6)]+ViR6/(R2+R6)=V11R1(R1+R6)

  由于V12 =V11-Vf,则:

  V11R2/(R2+R6)+(ViR6-VfR2)/(R2+R6)=V11R1/(R1+R5)

  令R1=R2=10kW,R5 =R6 =1kW,则有Vf=ViR6/R2=Vi/10

  若暂不考虑反馈时,Io=Vi/(10Rf)由此可见,输出电流的标定由D/A转换所得输出电压Vi和Rf的阻值决定,成线性变换。Rf由大线径铜丝制作,其温度系数很小(5ppm/℃),大线径可以使其温度影响减至最小。3个三极管应选用大功率管TIP122,且使用散热片,以保证管子工作在线性区。

图2 V/I转换电路图

  电压-电流转换模块还有另外一种方案,即采用三个运放构成输出电流可变的电流源,如图3所示。输出电流I=Vi/R1,为使R1两端的电压保持恒定,由差分放大器IC1b通过射随器IC1c监测R1两端的电位,此电位经IC1b的7脚加到比较器 ICa的反相输入端与Vref比较,根据比较结果使比较器的输出端变化,直到平衡为止,即Vr1=Vi。电路中的电容用于补偿ICa的频率,减少控制环路的延时。只要R1=R2=R3=R4=R5,此电路的性能较好,但带负载能力不强,环路延时补偿对电路的稳定有较大影响。

图3 三运放V/I转换电路

  系统键盘模块可以采用独立式或行列式(矩阵式)连接方式,该模块主要完成对输出电流和其它信息的设定。直流稳压电源模块为整个系统供电,语音模块实现语音提示,使系统设计更具人性化,系统具有友好的工作界面。凌阳单片机内部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF等模块,语音功能可由软件编程实现,不需要外接任何电路,有效利用了系统资源。