基于Proteus的数控恒流源仿真研究

0 引 言

在测试计量、半导体性能测试等许多工业和科学实验领域都会用到恒流源， 研究并设计一款智能化的高精度恒流源具有十分广泛的应用价值。但在一个电子产品研制过程中， 必须反复进行设计、试制和调试， 而实物试制和调试是一项费时和费力的工作， 往往是事倍功半， 导致系统开发周期长， 成本高。随着大规模集成电路和计算机的迅速发展， 计算机仿真技术彻底改变了以往电子系统设计中完全依靠人工进行参数计算、电路实验、实物试制和系统调试的传统设计方法， 利用EDA 仿真软件， 对已存在的系统或设想中的不同设计方案在计算机上进行仿真分析，同时与实物试制和调试相结合， 从而优化元件参数， 提高系统性能， 最大限度地降低了设计成本， 缩短了系统研制周期。Proteus 是一款功能强大的系统设计辅助类EDA仿真软件， 采用该软件对数控恒流源进行设计、分析、研究和实验， 可以达到研制和开发实际电子产品的目的。

本文研究采用Proteus 仿真软件， 利用单片机技术进行数控恒流源开发的方法。

1 系统概述

单片机技术的普及使电子产品进入了智能化时代， 以单片机为核心的数控恒流源整体设计方案如图1.本系统主要包括矩阵键盘输入模块、数控模块、恒流电路模块、电流采样模块、串口通信模块、PC 监控界面。设计输出电流范围20~ 2 000 mA, 步进2 mA.

图1 数控恒流源系统结构

该系统采用矩阵键盘作为人机接口， 从键盘输入设定电流， 单片机读取设定值， 显示在LCD 上， 进行相应的数据处理后， 将控制信号送给D/ A, 输出相应的电压值， 再通过V/ I 转换将该电压转换为相应的输出电流提供给负载，取样电路将实际输出电流转换为电压通过A/ D 转换和数据处理显示在LCD 上， LCD 上同时显示设定电流值和采样值， 以便进行比较以及相应的控制和调试。

2 硬件设计

2. 1 数控部分设计

单片机、矩阵键盘和D/ A 转换电路构成典型的数控单元电路， 采用10 位的串行D/A 转换芯片TLC5615 进行数模转换。

独立按键编程简单， 但占用I/ O 口资源， 不适合在按键较多的场合应用。本设计中需要用到14 个功能按键，包括0~ 9 共10 个数字键、取消、确认以及步进加减按键， 在这种情况下如果用独立按键显然太浪费I/ O口资源， 为此我们引入了矩阵键盘。用四条I/ O 线作为行线， 4 条I/ O 线作为列线， 共8 根数据线和单片机接口。

在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键， 这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O 口的利用率。

下面以函数的形式给出了一个简短而高效的键盘扫描程序。

从键盘输入设定电流值， 并在LCD 的第一行显示， 单位为mA, 按“确认”键后， 单片机将输入的数值转换成相应的数字量送给D/ A 转换芯片T LC5615。

假设输入电流值为m 时对应的数字量为x , 采用10位D/A 的最大控制字为1 023, 为计算方便， 设满量程2 000 mA 对应的最大数字量为1 000, 则有比例关系式( 1)：

根据上式可知送给T LC5615 的数字量控制字x 应为0. 5 ×m, 且可达到的输出最小步进值为2 mA, 即电流控制字每变化1, 电流变化2 mA.如果要达到1 mA 的步进值则需要采用12 位的D/A 芯片。

控制字1000 对应2 000 mA 电流， 取样电阻为1 Ω 时即对应2 V 电压输出， 由于T LC5615 的最大输出数字量为1023, 根据T LC5615 的控制字与输出电压关系式可知：

求得D/ A 转换器的基准电压应取U REF= 1. 023 V.

T LC5615 使用固定增益为2 的运放缓冲的电阻串网络， 把10 位数字数据转换为模拟电压， 其输出电压范围为0 V至2×V REFV, 即最大输出电压为参考电压的2 倍。

这里T LC5615 的参考电压取1. 023 V , 满量程输出为2. 046 V, 采用1Ω的取样电阻时， 最大输出电流为2 046 mA, 可以满足设计要求。

为了提高测量的稳定性和准确性， 采用专用的电压基准芯片TL431 为T LC5615 提供基准电压， 并在Proteus中进行仿真实验。电路如图2 所示， 在制作实际电路时，图中的可调电阻采用精密多圈电位器。

图2 电压基准电路

2. 2 恒流电路的设计

恒流电路的主要作用是将数控部分送来的电压转换成恒定的电流输出， 提供给负载。转换电路由高精度集成运算放大器LM358、功率场效应管IRF530 和采样电阻构成， 如图3 所示。将数控部分的模拟输出电压Ui 作为LM358 的输入量， 取样电阻的电压反馈到LM358 的反相输入端， 该电路构成了典型的电流串联负反馈， 根据反馈理论， 由于集成运放的开环增益很大， 所以该电路为深度负反馈， 即输入电压Ui与取样电阻R 上的反馈电压Uf 相等， 可由式(3) 得：

图3