直流数控电流源的设计与实现

直流电流源作为稳定电源|0">电源的分支，在工程技术和测量领域中有着重要的实用价值，其涉及的应用由稳定电磁场、校正电流表等扩展至激光、超导、现代通信和传感技术等领域。基于模拟电路的电流源虽然可以实现高精度、宽电流范围输出，但其结构复杂, 调整困难，指示不直观。随着单片机技术的发展，数字控制电流源开始出现，其以控制灵活、调节方便等特点展示了良好的应用前景。

　　一般的恒流电流源往往是电流值固定，或是有限数值档的电流值输出，不便于通用。数字控制的电流源则通过单片机作为核心控制器，通过键盘设置所需的电流值，电流值取值范围大，使用方便灵活。

　　本文将介绍数字电流源设计方案，实现基于单片机控制的程控电流源硬件及软件设计。

　　数控电流源硬件设计

　　数字控制电流源可以有多种方案，如基于PWM技术的开关电源、基于模拟器件的模拟反馈压控，以及基于微控制器的数字反馈数控方案。本设计采用基于微处理控制器的数字控制方案，硬件系统框图如图1所示。利用单片机AT89C51将输入的控制信号进行处理输出数字量，再把输出的数字量转换成模拟电压量，最后把转换后的模拟电压量进行电压/电流的转换供给负载。

图1 硬件电路框图 　　1 单片机控制与显示电路 　　直流数控电流源原理图如图2所示。控制电路由AT89C51、晶振、按键等构成，包括单片机时钟电路、复位电路以及按键输入电路。 图2 直流数控电流源原理图 　　该电路的工作原理为：AT89C51单片机通电后复位，P0和P1口均输出高电平。当按键输入电路给电路输入控制信号后，通过程序控制经过内部处理，在P0及P1口输出处理后的信号。P0的信号送至DAC0832的数字输入端进行数模转换，P1的输出信号送至显示电路进行显示。 　　键盘作为输入控制的信号，如图2所示，总共有8个按键，具体功能为：++键用于实现步进加，--键用作实现步进减，S1～S4用于实现从最低位至最高位设置时的位选，位选后，由+、-键调节各位的数值。 　　显示电路用于指示输出电流的数值，电路主要由四个相连的共阳极数码管和驱动电路组成。AT89C51的P1和P2口连接显示电路，其中，P1口的8个引脚用来控制数码管的段码。用三极管V5～V8组成数码管四个位的驱动电路，再分别与单片机的P2.4～P2.7相连实现对位的控制。 　　2 D/A转换电路 　　D/A转换电路由数模转换器DAC0832和运放LM324构成。DAC0832芯片是一个8位D/A转换器，有8个数码输入端，1个模拟输出端，能将控制电路输出的8位二进制数字量转换成模拟量的输出，送给后级的V/I转换电路。 　　运放A4输出电压为： 　　（1） 　　式中，Vref为外接参考电压，D7～DO为8位输入数字量。 　　当输入数字量在00000000～11111111之间变化时，其对应的输出模拟电压U1在0～-Vref之间，电压分辨率为：△V=5V/(28-1)=19.6mV。 　　3 V/I转换电路 　　V/I转换电路是整个电流源的关键部分，其电路图2所示，主要由运放LM324和电流扩展电路构成。运放A1构成加法器，有U2=-(U1+U5)。三极管V1、V2、V3、V4构成电流扩展电路，以便有足够的输出电流。A2构成电压跟随器，有U4=U3。A3是反相器，有U5=-U4，则U5=-U3。 　　电阻RM上的压降UM为：UM=U2-U3=-(U1-U3)-U3=-U1，则通过负载RL的电流I为：I=UM/RM=-U1/RM。 　　可见，输出电流I仅由电压U1和电阻RM决定。当U1和RM一定时，I保持恒定。U1是由数模转换器得到，则该恒流源的电流大小由数字量决定。 　　软件编程 　　软件流程如图3所示，程序采用C语言编写。用仿真机进行功能调试，实现全部功能，然后把程序写入AT89C51芯片，固化成功后，便可进行独立运行。 图3 软件流程图 　　主程序部分代码。 　　 　　实验结果 　　测试结果表明（见表1），负载RL阻值在0～5Ω变化时，最大绝对误差△I=|测试电流值-输出电流值|=10mA；相对误差为=绝对误差/显示电流值=1％； 　　另一测试结果表明（见表2），最大纹波系数=纹波电流值/设定输出电流值=1.5%； 　　表3所示为部分设定输出值与实际测试值的数据对照。设定输出值和测试值的比较曲线如图4所示，从图中可得，步进误差较小，其设定输出在0～1000mA时，实际测试值为0～990mA，最大绝对误差△I=10mA，最大相对误差为1％。 图4 设定输出值和测试值的比较曲线 若电流精度不够(设定输出值