基于Proteus的数控恒流源仿真研究

电流源电路。

即输出电流IO 只取决于数控输出电压Ui 和取样电阻R 的大小， 而与负载无关， 且负反馈具有稳定输出电流的功能， 如能够提供稳定的输出电压和精密的取样电阻， 则可得到纹波很小的恒定电流。仿真结果表明该电路有很好的恒流效果。实际设计电路时， 为了达到更稳定的输出， 可在LM358 和IRF530 之间加入RC 滤波。

仿真实验表明，LM358( U2:A) 采用+ 5 V 电源供电时达不到要求的电流。为满足设计要求， 可采用+ 12 V直流电源供电。此外，要达到2 000 mA 的输出电流， 应采用大功率且温度系数小的取样电阻， 对于高精度的应用可采用康铜或锰铜丝作为取样电阻， 如果精度要求不高， 也可采用水泥电阻。

由于集成运放不可能提供很高的电流， 因此设计中采用功率场效应管IRF530 进行扩流， IRF530 在散热良好的条件下可以提供14 A 的电流， 导通电阻仅为0. 18Ω , 满足设计要求。同时需要大功率的电源为其供电， 根据设计的最大电流和负载值来确定电源参数。经仿真实验， 若负载在0~ 10 Ω， 采用+ 24 V 电源可以满足设计要求， 并有一定余量， 因此实际设计时可以采用+ 24 V/ 3 A 的直流稳压电源。由于IRF530 漏电流的存在， 最小输出电流不为零， 仿真实验表明该值大约在20 mA 左右。

2. 3 电流采样模块设计

电流采样也就是将实际输出的电流测量出来并显示在LCD 上， 其基本原理是采集取样电阻上的电压， 并根据取样电阻的值将其换算为相应的电流， 这里采用10 位串行A/ D 转换芯片T LC1543 采集电压。为实现高精度的测量， 仍采用TL431 作为电压基准， 基准值为2 V .值得一提的是， 若要求负载接地， 则负载和取样电阻的位置应调换， 此时， 测量取样电阻两端电压时， 需用差分放大器进行差分到单端的转换。

2. 4 过流保护电路

为了防止外界干扰造成瞬间电流过大损毁器件， 设计过流保护电路， 采用专用电压比较器LM311 实现， 比较器的参考电压根据最大电流以及取样电阻的阻值确定， 当正常工作时比较器输出低电平， 过流时输出高电平， 单片机根据监测到的电平变化触发中断将输出电流置零。

3 软件设计

软件设计包括单片机的C51 编程和PC 端基于LabVIEW 的监控程序两部分。单片机的C51 编程实现如下功能， 在图2 中按数字键输入设定电流， 之后按 确认键，如输入错误， 可随时按取消 键， 取消本次操作; LCD 第一行显示设定值， 第二行显示实际测量值， 如果实测值未达到所需值， 可以按步进加减键进行微调， 使输出值最终满足要求。软件设计的核心是识别键值， 并通过适当的数据处理完成数据的输入、显示和电流控制功能。

图4 计算机监控界面

通信功能已经成为仪器仪表的重要功能之一， 利用串口通信功能， 计算机可以对恒流源的输出电流进行监测，并可以在PC 上对恒流源进行远端控制。我们采用LabVIEW 编写了计算机监控程序， 并利用虚拟串口与Proteus 进行了通信仿真调试。PC 端的控制界面如图4 所示， 设置好通信参数后，输入设定电流并确定即可， 前面板同时显示出当前仪器实际输出的电流值。

4 结束语

经过仿真实验， 在理论上证明了本文所述数控恒流源设计方案的可行性。在仿真成功的前提下， 我们设计并制作了实际电路， 经实际测试， 与仿真结果十分接近， 满足了设计要求。可见在借助Proteus 仿真技术进行电子系统的设计， 可以提前发现设计的错误， 极大的提高开发效率、降低开发成本。