精密程控恒流源的设计

陈以华

文章编号：2095-6835（2017）10-0117-01

摘 要：从恒流源的作用及原理入手，首先介绍了恒流源的分类，而后主要针对程控恒流电源进行了系统设计，以期为其他同行提供一定的参考和借鉴。

关键词：程控恒流源；单片机；恒压源；压控恒流源

中图分类号：TN86 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.117

1 恒流源的作用及原理

恒流源一般有2个作用：①可以作为有源负载被当作高电阻使用。②为放大器提供静态电流补偿，从而增大放大电路的电压放大倍数。这种用法在集成运放电路中有非常广泛的应用。恒流源有很多分类，可以程序控制调整稳定电流的一般为压控恒流源电路，主要是靠程序调节控制点的电压值来调节恒流的数值。

2 程控恒流源的整体结构

系统主要由系统供电电源、直流电压变换电路、恒流源电路、主控单元、外围输入输出电路和扩展的恒压源电路6部分组成，如图1所示。其中，外围输入输出电路包括键盘和LCD显示屏。运转逻辑是供电电源经转换电路转换后供电给主控单元，恒流源电路和扩展的恒压源电路作为各自的输入供电。恒流源电路采用压控恒流源原理设计实现输出电流稳定的功能。ATMEGA16单片机作为系统的主控核心，接收键盘的输入信息，将此信息转化为恒流源电路的对应控制电压输入给恒流源，并通过内部的ADC模块采集监测恒流源的负载电压，从而判断恒流源是否达到了要求，并最终将这个恒流源的输出电流值显示在LCD显示屏上。

3 主控单片机单元的选取

本程控恒流源中使用到模数转化和数模转化，结合可靠性及性价比，选取AVR内核具有丰富的指令集ATmega16单片机来构建整个程控恒流源系统。它拥有32个与运算逻辑单元（ALU）相连接的通用工作寄存器。这样的结构可以提高代码效率，因为它在一个时钟周期内1条指令同时访问2个独立的寄存器，与普通的CISC微控制器相比，其最多可以有10倍的数据吞吐率。

ATmega16单片机还具有如下硬件资源：内置8路10位的高精度模数转化器ADC，1个SPI总线，1个I2C总线，1个USART串行总线，32个通用I/O口线，3个具有多种模式设置功能的定时计数器，支持片内及外部中断，内置可编程看门狗电路，支持休眠及待机等省电模式，16 K系统内可编程FLASH/512字节EEROM以及1 K字节RAM。

4 压控恒流源的设计

压控恒流源是系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化。由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高，所以选好压控恒流源电路显得特别重要。压控恒流源电路原理如图2所示。

该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电阻R2、负载电阻RL等组成，恒流源电流大小的控制端为UI。这个电压是ATmega16单片机通过程序控制的DAC部件输出，这样可以通过程序调节DAC输出控制UI的大小，从而来控制此电流源的电流大小。硬件设计电路中用功率场效应管IRF640来做控制管，一方面满足输出电流2Amax的设计要求，另一方面实现UI电压线性控制场效应管通路电流。这个电路的工作原理是场效应管工作于饱和区，漏电流Id与电压Ugs控制的电流是线性关系。换言之，设Ud为常数，满足Id=f（Ugs）.要想使Id为恒流，只要控制Ugs恒压即可。在这个电路中，R2作为取样电阻存在，用来平衡恒流源的变化以及反馈单片机ATmega16的信号源。

5 总结

ATmega16单片机作为中央控制器，与外置的DAC部件配合，通过键盘输入设置恒流的数值，单片机解析出来对应的内部数值，送入外置的DAC部件；DAC部件对应输出相应的电压UI，UI的大小直接决定了压控恒流源的带载能力。本系统有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点。本系统最大恒流电流可以设置到2Amax，最小可步进1 mA，具有恒流范围宽、恒流精度好的特点。

参考文献

[1]王詢，鹿霞，向波.大功率LED恒流源调光电路设计[J].科技资讯，2011（32）：91-92，94.

[2]孙江涛.基于ATmega16的断路器机械特性测试仪的研制[D].大连：大连理工大学，2009.

[3]秦玲，赖青贵，张良，等.基于运算放大器的压控恒流源[J].强激光与粒子束，2010（03）：553-556.

〔编辑：刘晓芳〕