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一種基于單片機的數控直流恒流源的設計

鉅大LARGE  |  點擊量：1290次  |  2019年11月19日  

引言


恒流源也稱電流源或穩(wěn)流源。能夠向負載提供恒定電流的電源稱作恒流源。理想的恒流源其輸出是絕對不變的，但實際的恒流源只能在一定范圍內保持輸出電流的穩(wěn)定性[1-2]。目前，恒流源被廣泛用于傳感技術、電子測量儀器、現(xiàn)代通信、激光、超導等高新技術領域、并且有良好的發(fā)展前景。


2系統(tǒng)組成和工作原理


2.1系統(tǒng)的組成


本數控恒流源系統(tǒng)可分為單片機控制部分、變壓整流和供電部分、A/D和D/A轉換電路、恒流源電路、鍵盤或顯示器接口電路等幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。




2.2系統(tǒng)工作原理


系統(tǒng)采用AT89C55單片機為核心，控制、比較調整單元基準的變化，實現(xiàn)高精密電壓控制。交流電壓經變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓后通過78,79系列穩(wěn)壓管輸出提供電路所需電壓，CpU根據預置開關設定的數據或鍵盤輸入的數據，計算出相應的基準電壓值，送給DAC0832轉換成模擬電壓，再送主控電路通過反饋控制，使電流穩(wěn)定輸出。在經過ADC0809轉換成數字信號輸出單片機。由按鈕選擇配合軟件分別實現(xiàn)設定值與測試值的交替顯示。


控制核心采用單片機INTEL89C55，用此來控制提高了精度，人工干預自由度大，功能擴展，升級余地比較大，兼容性強，成本低廉，易于制作，生產。采樣部分使用運算放大器具有很大的電源電壓控制化，可以大大減少輸出端的紋波電流。顯示部分采用鍵盤/顯示器接口控制器8279，不僅簡化接口電路，而且還減少了軟件對鍵盤/顯示器的查詢時間，提高了CpU的利用率。


3主要電路設計與計算


3.1變壓整流和供電部分


供電部分輸出200～240V，50HZ的交流電，經過變壓器的變壓，整流，濾波，得到系統(tǒng)所需的三種電壓：+5V,+12V,-12V。主要是供數控部分和D/A轉換芯片使用電源，同時也是穩(wěn)壓輸出電路的主電源。系統(tǒng)框圖如圖2所示。


對于濾波電容的選擇，要考慮：整流管的壓降；7812/7912/7815/7805的最小允許壓降為Ud；電網波動為10%，所以考慮電容為4700μF/16V。因7815和7812負載重功率大，所以應加裝散熱器；電源為了使輸出的電流紋波≤0.2mA，在穩(wěn)壓器的輸出端都加上了濾波器，來除去電流的紋波。




圖2變壓整流和供電部分的系統(tǒng)框圖


3.2恒流源電路


單片機的輸出經過D/A轉換為模擬信號后，經過雙運放集成塊放大后，再經過MOS管(2SK1062，N溝道)引入深度電流負反饋。引入電流負反饋可以穩(wěn)定輸出電流，提高放大倍數的穩(wěn)定性，擴展頻帶，減小非線性失真[3]。采用場效應管的優(yōu)點是雙極性晶體管輸出幾乎是不可取電流，而MOS管電壓與電流控制范圍好，應而輸出電阻較高，并且低噪聲抗輻射，熱穩(wěn)定性以及功耗小等優(yōu)點。電路如圖3所示




圖3恒流源電流


場效應管與BJT最基本的差別在于場效應管是電壓控制元件，輸出漏極電流是由輸出柵極電壓控制的?？鐚Фx為：


(1)


式中：Id為輸出電流，Vgs為輸出電壓。從柵極看進去的輸入電阻近似為無窮大，漏極電流可以忽略不計。負載電阻改變及紋波電流的抑制均由深度電流負反饋來實現(xiàn)。輸出電流范圍在0.02～2A，如取樣電阻Rs為5Ω，則輸出電壓在0.1～10V之間進行改變。改變負載電阻Rf時，輸出電壓在10V以內變化時，輸出電流變化范圍為≤輸出電流值1%+1mA。供電采用+12V電壓供電，用一個4.7μF的電解電容和一個0.1μF的瓷片電容去耦。


3.3數控部分


89C51單片機基本系統(tǒng)：數控核心采用89C55單片機與EEpROM,RAM，地址鎖存器74LS373組成單片機的基本系統(tǒng)，并對p2口的p2.0經74LS138地址譯碼后作為8279的選通信號。在89C51引腳X1和X2接入晶振Y1和微調電容C5,C6就構成了時鐘電路，值為12MHZ[4-5]。


系統(tǒng)采用了上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。上電復位要求接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復位操作。手動復位要求在電源接通的條件下，在單片機運行期間，操作按鈕開關10使單片機復位。上電自動復位通過外部復位電容C4的充電來實現(xiàn)。按鍵手動復位是通過復位端經電阻和Vcc接通來實現(xiàn)。


鍵盤為8×2按鍵式鍵盤，當有按下時，向CpU申請中斷，CpU在中斷程序中讀取鍵盤編碼，作相應處理。0-9號按鍵用來輸入0.02～2A的預置電流，在輸出端輸出相對應的電流，10號按鍵為單片機手動復位清零鍵。


鍵盤/顯示接口電路：在設計鍵盤/顯示接口電路時，使用8279鍵盤/顯示控制器，它能實現(xiàn)對鍵盤的自動掃描，并對顯示器進行自動刷新。


4電路測試與分析


4.1測試方法


測試所用儀器：數字萬用表，外接220V交流電源，低頻毫伏表。測試方法框圖如圖4所示。圖中RL為負載電阻，RS為取樣電阻，0.5Ω。


用萬用表測1和2兩端的值為實測電流值；用低頻毫伏表測3和4兩端的值為輸出紋波電壓值。誤差百分率測試：為了比較測量值和真實值的誤差，我們在20～2000mA之間選定了六個值相比較，測量數據記錄如表1所示，誤差百分率計算公式為：


(2)


式中：I1為顯示值，I2為測量值。




圖4測試方法框圖


4.2測試結果記錄


負載為5Ω時，輸出電流預置值、顯示值和測試值的對照表，見表1所示。


表1顯示值與測量值對照表（RL=5Ω）


4.3誤差分析


從測量結果來看，系統(tǒng)的誤差主要來源于：


⑴運算放大器和MOS管的電流放大倍數不夠大或者不穩(wěn)定；


⑵D/A轉換器和A/D轉換器存在一定的量化誤差；


⑶取樣電阻可能因溫度的變化引起了誤差；


⑷基準電壓的穩(wěn)漂引起的誤差。


5結論


本文是以AT89C55單片機為核心控制部件，通過由運算放大器和功率放大電路組成電流負反饋系統(tǒng)，來完成輸出電流的控制和恒定，從而提高了系統(tǒng)的精度。它的輸出電流可在0.02～2A之間變化，隨負載和環(huán)境溫度變化較小。該系統(tǒng)電路簡單、成本低、功耗小、可靠性高,具有較為廣闊的市場前景和應用價值。


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