简易数字控制恒流源系统的设计和开发

摘要：设计了一种以单片机C8051F020为控制核心的简易数控恒流源系统，实现了电流从-2A到2A数字控制可调的直流恒流系统。系统电源部分采用大功率变压器供电，采用多级电容、π网络滤除纹波干扰；电源输出部分采用三端稳压芯片进行稳压，并且利用大功率达林顿管进行扩流以满足后级功率需求。恒流源部分采用多个精密运算放大器OP07构成闭环反馈控制形式，从而提高控制精度。受控部分采用达林顿管进行扩流和精确设定输出电流。电流测量部分采用康锰铜电阻丝作为精密取样电阻，而不受外界温度变化的影响；系统的显示部分采用128×64点阵式液晶显示屏实时显示设定电流值和实测电流值。数控恒流源具有控制界面直观、简洁的特点，具有良好的人机交互性能。
关键词：恒流源；C8051F020；数字控制；稳压；扩流

0 引言
所谓恒流源就是输出电流非常稳定的电源，但是这个稳定是相对的，而非绝对一成不变的，只是它的变化率小到在实际应用中可以忽略。输出电流发生变化的原因主要有以下几个方面：1)恒流源本身条件所决定的。构成恒流源的元器件质量失效或者参数发生变化时，参数就有可能引起电流波动。2)恒流源系统受外界环境的影响而使电流输出发生变化。3)电网供电电压不稳定所致。4)供电负载发生变化。比如负载短路或者空载时，负载电流非常大或没有。在本文中数控恒流源系统设计中主要针对以上第一和第二个因素设计了基于数字控制的恒流源系统，从而提高恒流源输出电流的精度。

1 简易数制电流源系统工作原理介绍
本论文设计了基于单片机的数控恒流源，此系统由恒流源主电路和单片机最小系统组成，外围电路还包括自制电源供电电路、LCD显示电路、R232接口电路以及4×4矩阵键盘设置电路，系统结构框图如图1所示。其中单片机控制系统采用单片机C8051F020，单片机内部自带A／D和D／A转换电路，单片机内部还设置了串口通讯功能。

1．1 恒流源电路设计
恒流源部分要求输出最大电流达2000 mA，输出最大电压达到10 V，所以需要供电电压稳定，纹波电流要求很小，因此对电源的要求较高，主要是对电源的功率和纹波电压的要求高。如果采用全桥整流加电容滤波电路，该电源将通过变压器的低压交流电变为具有正负对称输出的直流电，实际输出电压为±20V左右。采用100nF和1．0μF电容滤除电源中的高频交流成分，后级滤波电容选用了10000μF提高续流能力。这种电路多见于要求不高的直流电源中，其驱动能力和后级的滤波电容有关，该电源电路无法持续提供大电流输出。如果选用采用三端稳压集成电路，三端集成稳压芯片的稳压效果较好，但其难以达到2000mA以上的大电流输出，为了满足本恒流源需要，可以采用多块集成稳压芯片并联的方式来扩流，理论上这种电路输出的电流为各稳压芯片输出电流之和。要达到比较好的稳压效果，要求并联的各稳压芯片参数尽量接近。但在实际应用中发现，由于器件的不一致性，当电流接近最大电流值时，稳压效果急剧变差。因此，要取得好的稳压效果，需要电路输出最大电流值要大于所需电流值，这必会造成器件的浪费，且各稳压芯片的参数必须尽量接近。最后选用三端稳压芯片电路外接扩流管的形式。这种电路既充分利用了稳压芯片的稳压性能，又能借助扩流管输出较大的电流，广泛使用于一些高精度的线性稳压电源中，其基本设计电路如图2所示。图2中采用三端稳压芯片LM7815和LM7915驱动达林顿管TIP127和TIP122，该管最大集电极电流为8A。图2所示的电路很大部分电流从扩流管流过，只有很少部分电流直接流过稳压管，当电流为3A左右时，输出电压也几乎不变，性能优越。

1．2 单片机最小系统设计
数控电路组成包括单片机最小系统、A／D采样输入电路和D／A控制输出电路。其中数控直流电流源的控制电路采用单片机最小系统对电路各部分进行控制。文献中采用单片机AT89S52作为控制器，除需要完成数控部分、键盘输入、通信以及显示输出功能控制外，还需要控制外接DA和AD芯片工作。采用AT89S52进行控制比较简单，但是其I／O资源有限，不能满足电路设计需求，需要外接芯片进行I／O扩展。由于需要外接DA和AD芯片，电路设计相对比较复杂。本文采用C80F020单片机进行控制，它是新华龙生产的51内核微控制器，内部集成8路12位ADC和2个12位DAC，具有内部电源基准，每个DAC都具有灵活的输出更新机制，并支持无抖动输出更新；I／O口资源丰富，具有8组共64位I／O，所有口线均耐5V电压；存储空间大，64k的程序存储FLASH和4352字节内部数据RAM。采用C8051F020单片机，可以省去外接DA和AD芯片，其自带的DA和AD完全能够达到设计需求，使电路设计更加简单，抗干扰性能提高。最小系统由单片机、采样输入、控制输出、串口通讯电路及复位电
路、键盘、显示电路组成。单片机最小系统图如图3所示。