数控恒流源的设计

徐 建，何腾鹏

（湖北民族学院科技学院，湖北 恩施 445000）

数控恒流源的设计

徐 建，何腾鹏

（湖北民族学院科技学院，湖北 恩施 445000）

提出一种基于单片机控制的数控直流恒流源系统的设计方案.采用32位STM32单片机作为微控制器，配备键盘输入模块、D／A转换模块、恒流源模块、A／D采集模块、液晶显示模块搭建起整个系统.通过硬件系统测试，该系统能实现简易人机交互通信，在量程允许范围内，恒流源系统具有步进加减功能，能任意设定输出电流，并且该系统输出稳定，误差小，精度高，带负载能力强.

单片机；数字控制；恒流源；放大器

电源是一切电子系统的基础，是电子设备不可或缺的重要组成部分，电源技术已发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术.目前实验室所用的多半是传统的直流电源，这种电源主要存在输出精度不够和稳定性不高等问题.数控直流电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，以精确的微机控制取代不精确的人为操作，在实验开始之前就对相关参数进行预设，这将会给各领域中的实验研究带来不同程度的便捷［1］.

1 数控恒流源系统的总体设计

系统主要包括微控制器、键盘输入模块、D／A转换模块、恒流源模块、A／D采集模块、液晶显示模块等几部分构成.其整体原理框图如图1所示，可以通过键盘进行预置数，再经过D／A转换将预制数转换为电压信号，来控制电流源的输出电流；结合闭环控制的理念，通过采样电路实时采集输出电流值，经ADC转换器及时送回控制器，处理器将预置值与采样值进行比较，并根据比较结果作出相应的调整补偿，以便使输出结果尽可能地接近预置值.

2 数控恒流源系统的硬件设计

图1 系统设计框图Fig.1 System design block diagram

2.1 恒流源恒流电路的设计

恒流源的恒流电路如图2所示，D／A转换输出模拟信号可能不稳定，可在其后加入一个电压跟随器或是瓷片电容，增强稳定性.单运放OP07的同向输入端经过一颗阻值为3600欧姆的电阻和满量程为1000欧姆的电位器与DAC转换器的输出口相连，调节电位器的阻值的大小即可改变运算放大器OP07同相输入端的输入电压，OP07的输出端经过1000欧姆的电阻连到达林顿管的基极引脚B上，瓷片电容C2主要用于过滤掉由运放输出口进入到达林顿管产生的自激信号.利用达林顿管的电流放大特性，可实现大电流的输出，电流放大倍数为1000～15000倍［2］.

图2 恒流源恒流电路图Fig.2 Constant current source circuit

2.2 A／D模块的设计

恒流源系统选用12位的ADS7818作为模数转换器，进行电压间转换.ADS7818参考电源有两种选择，内部参考电源为2.5V.当选用内部参考电源时，外部模拟电压的输入范围为GND－200 mV～Vcc＋200 mV，通常需并联0.1uF的瓷片电容和2.2uF的电解电容对2.5V基准电压进行滤波处理，注意瓷片电容应尽可能地靠近VREF引脚［3］.A／D转换电路如图3所示.

2.3 D／A模块的设计

D／A模块设计电路图如图4所示，这里D／A的作用是把代表一定电压的数字量转换成相应的模拟电压值.电路选用的 D／A转换芯片是 12位的TLV5616，有4096级电压输出，其转换精度完全符合设计要求，本电路采用达林顿管TL431为DAC转换器提供外部基准电压［4］.

图3 A／D硬件电路图Fig.3 A／D hardware circuit diagram

3 系统的软件设计

软件系统采用前后台结构的方式对各个功能模块程序进行合理调配，其任务主要有A／D转换、D／A转换、步进加减、键盘扫描、液晶显示等.当系统上电后，主程序先对包括中断系统，定时器／计数器，I／O口在内的系统初始化，等到初始化完成后打开中断，进入键盘扫描子函数［5］.键盘扫描函数获取键值后，完成预定电流值设置，通过按键步进加或步进减并及时在LCD上显示输出电流值以及状态标志.主程序流程图如图5所示.

图4 D／A硬件电路图Fig.4 D／A hardware circuit diagram

4 系统测试结果与分析

本系统采用数字示波器、UT56型数字万用表、GB－9B型低频毫伏表等设备对数控恒流源进行性能测试.其中数字示波器除了用于观察纹波电压大小外，也可取代数字万用表测量负载电压，配上电流感应探棒，还可用于测量负载电流，并且测量精度较高.当负载为20欧姆时，测试结果如下：

1）输出电流与给定值的偏差，测试数据如表1.

测试结果分析：输出电流误差在允许的范围之内，满足设计的误差精度要求.同时电流值较小时，输出电流更接近预置电流值.当电流变大时，由于达林顿管在大电流工作情况下会发热，若热量得不到迅速释放，恒流源性能会下降，导致输出不准.误差存在的另一个原因是采样电阻受热，使电压输出呈现非线性特性［6］.

2）步进电流的测试

设定电流700mA，按加与按减的测试数据如表2和表3.

表1 输出电流与给定值偏差数据Tab.1 Deviation data for output current and given value

表2 步进电流数据Tab.2 Step current data

表3 步进电流数据Tab.3 Step current data

测试结果分析：输出电流在误差允许的范围之内，可实现步进2mA，满足≤10mA的设计要求.

3）改变接入系统的负载阻值大小.

（i）给定电流Id＝200 mA时，Id×1%＋10mA＝12（mA）.

测试结果分析：如表4～6所示，负载电压变化，当预置电流在200 mA时，恒流特性可靠，误差较小.当预置电流为900mA和1800mA时，输出电流误差相较于200mA时有所增大，主要是因为电流过大芯片发热引起非线性误差，但仍符合设计要求［7］.

表4 给定电流200mA时输出电流数据Tab.4 Output current data for a given current 200mA

图5 系统程序主流程图Fig.5 System program flow chart

（ii）给定电流Id＝900 mA时，Id×1%＋10mA＝19（mA）.

（iii）给定电流Id＝1800mA时，Id×1%＋10mA＝28（mA）.

表5 给定电流900mA时输出电流数据Tab.5 Output current data for a given current 900mA

表6 给定电流1800mA时输出电流数据Tab.6 Output current data for a given current 1800mA

4）纹波电流

取负载电阻RL＝10Ω，纹波电流＝纹波电压／负载电阻.测试数据如表7.

测试结果分析：由于系统中各个模块之间独立供电，GND统一连接至一点，加上输入输出都有滤波电容，输出电流在误差允许的范围之内，且纹波较小［8］.

表7 纹波电流测试数据Tab.7 Ripple current test data

5 结语

本文设计出一种基于STM32单片机的数控直流恒流源.通过4×4矩阵键盘给恒流源系统设定预置电流，单片机将预置电流对应的数字量送给12位数模转换器TLV5616进行电压转换，TLV5616将数字量转换成相应的模拟电压送给恒流源模块进行放大处理，由单运放OP07和达林顿管TIP122组成的恒流源模块与ADS7818模数转换器以及单片机构成双重反馈电路，对输出结果及时作出补偿修正，并送到液晶显示模块TS12864进行实时显示.最后对该恒流源进行测量，结果表明，该恒流源具有较高的精度和稳定度，基本满足设计要求.

［1］陈振一，余水宝，王关桥，等.基于单片机的高稳定数控恒流源的设计与实现［J］.电子技术与软件工程，2014（11）：142－142.

［2］康学福.基于89C2051单片机控制的数控直流电流源设计［J］.现代电子技术，2014（6）：136－139.

［3］杨学海，荣军，陈超，等.简易数字控制恒流源系统的设计和开发［J］.电子技术，2012，39（4）：50－52.

［4］吴宁胜.基于MCS－51单片机的数控恒流源设计［J］.电子测试，2015（5）：15－17.

［5］夏桂书.基于单片机的高性能数控恒流源设计与实现［J］.数字技术与应用，2013（4）：2－3.

［6］夏云生，徐桥松.基于PROTEUS的数控恒流源设计与仿真［J］.电子测试，2012（6）：79－82.

［7］罗陶.基于TMS320F28022的数控恒流电源设计方案概述［J］.科技视界，2013（4）：132－134.

［8］黄天辰，贾嵩，余建华，等.高精度数控直流恒流源的设计与实现［J］.仪表技术与传感器，2013（6）：27－29.

责任编辑：时 凌

Design of Numerical Constant Current Sourcer

XU Jian，HE Tengpeng
（College of Science and Technology，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

In this paper，a design scheme of digital control DC constant current source system based on microcomputer control is presented.Using 32 bit STM32 as a microcontroller，equipped with keyboard in⁃put module，D／A conversion module，constant current source module，A／D acquisition module，LCD mod⁃ule to build up the whole system.Through the hardware system test，the system can realize the simple hu⁃man－computer interaction and communication，in the range of the range，the constant current source sys⁃tem has the function of stepping add and subtraction，can set the output current，and the output of the sys⁃tem is stable，the error is small，the precision is high，with the load capacity is strong.

MCU；digital－control；constant current source；amplifier

TN710

A

1008－8423（2015）03－0304－04

10.13501／j.cnki.42－1569／n.2015.09.020

2015－08－16.

湖北省教育厅科学技术研究项目（B2015107）；湖北民族学院科技学院科研项目（KY201418）.

徐建（1981－），男，硕士，讲师，主要从事嵌入式与智能控制的研究.