一种数控恒流源电路的设计

0 引言

恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，也称作稳流源或者电流源。当前，数控恒流源的应用，随着电子技术的发展使用范围越来越广，在电子测量仪器、激光、传感技术、超导、现代通信等高新技术领域，恒流源都被广泛应用，且发展前景较为良好。同时，也不仅局限于此，目前，急需迫切解决的工业需求是，数字化在工业生产中采集的模拟信号量，并将其作为控制信号的恒定电流，并参与到下一级生产的控制当中。

1 系统的结构与原理

变压整流、单片机控制部分、D/A 与A/D 转换电路、供电部分、显示器或键盘接口电路、恒流源电路等，本数控恒流源便由以上的几个部分组成。该系统还能实现人机交流，主要是通过LED数码管和小键盘来实现的，LED 数码管显示电流值以及一些相对应功能，而小键盘则可以实现人为的来控制恒流源输出，即当未小键盘控制下的状态时，用户的输入状态会被显示，而当为A/D 采样控制时，主要控制部分器件包括：模数转换芯片、键盘显示接口芯片、单片机、驱动芯片、8 位数模砖和芯片等。核心的控制芯片采用AT89C51 通用单片机，主要因为其功能完备、性能较为稳定，具有较低的成本，是首选的小型控制系统核心控制芯片。利用A/D 采样处理交由D/A 输出，可以在键盘与电路之间进行通信，而8279 管理键盘与电路，使得处理器的负担减轻，单片机的口线和时间被显示电路与键盘过多占用的问题，也能够得到结局。系统总体框图(如图1)。

?

?

2 系统硬件的电路设计

2.1 供电和变压整流

供电部分主要为D/A 转换芯片和数控部分提供使用电源，也同时作为稳压输出电路的主电源。输出50hz,200-240v 的交流电，通过变压器整流、变压、滤波，得到+12v、+5v、-12v,三种系统所需的电压(如图2 所示)。要考虑整流管的压降来选择滤波电容，电网波动为10%,选用7912/7805/7812,由于7812/7912 功率大、负载重，需要加装散热器。所以用4700UF/16V 为滤波电容。在稳压器的输出端都加上滤波器，以使输出电流纹波≤ 0.2ma.

?

?

2.2 恒流源电路模拟

流控恒流源与压控恒流源是恒流源的两种控制形式，本文所介绍的属于压控形式恒流源，4-20ma电流范围，也就是输出4-20ma 电流，控制电压的变化可以使电流变化，但是一旦确定输入电压，那么输出电流将恒定不变，系统能够提供由输入电压决定的大小恒定的电流，主要表现在一定范围内负载阻值的变化。模拟恒流源电路特性曲线(如图3 所示)。

?

?

当此压控恒流源电路的负载阻值在29-10008Ω 之间时，我们可以看出：随输入电压变化的线性情况相对较好，随负载阻值输出电流的变化非常微小。

2.3 键盘显示电路的原理

键盘显示电路和单片机的连接电路图，只需要读写就可以完成对显示以及键盘的相应操作。当键盘被按下时，键盘显示接口芯片会通过单片机的外部中断，来向单片机发送中断请求，单片机在进行判断以后，再决定是否执行下个任务。

2.4 A/D 采样电路的原理

A/D 转换器采样输入和单片机的连接电路图，单路采样输入中，当采样结束了以后，会以单片机外部中断的方式发出中断请求，要求单片机中断处理，此时，单片机要对A/D 转换器的输入数据进行判断和处理，以便下一步进行控制操作。

3 电路分析及测试

3.1 测试方法

外接220v 交流电源，数字万用表，低频毫伏表，测试需准备以上几种仪器。具体测试方法(如图4 所示)。图中取样电阻为RS,负载电阻为RL.

?

?

1 和2 两端的值用万用表测为实测值电流值，3 和4 两端的值用低频毫伏表测为输出纹波电压值。为了比较真实值与测量值之间的误差，我们选定了20-2000ma 八个值进行比较，误差计算公式为：

?

?

在公式中测量值为I2,显示值为I1.

3.2 测试结果

设定值和测量值之间的误差，当测量十次改变负载电阻时为：RL=8Ω，设定值为I3,C1=(I2-I3)/I3 为测量误差。测量误差的标准偏差：RL=18Ω，S1=0.0036ma,S1=0.0031ma.设定值和显示值之间的误差为：RL=8Ω 时，C2=(I1-I3)/I3 为测量误差，RL=20Ω，S2=0.0041ma,S2=0.124ma, 为测量误差的标准偏差。误差的百分率变化范围在0.017 至0.36 之间。

4 控制部分

本文所介绍的系统是对输出电流进行双路控制，也就是有两种控制信号的来源方式，一种是根据工业应用的需求，通过A/D采样获取控制信号，根据在汇编程序中多次的数据实测，将固定的表格设计好，把控制数据通过查表给D/A 输出，使恒流源单元所产生的对应稳定电流得到控制。利用手动输入的方式，对用户输入的理想电流值进行判断，然后根据查表，由D/A 来实现控制数据的输出，以此获得相应大小的电流，