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基于单片机的数控直流电流源设计 摘要：本文介绍了基于单片机的数控直流电流源设计方案，给出了硬件组成及软件系统。本系统以单片机AT89S52为核心部件，由键盘、显示、D/A及A/D转换，V/I转换、功率放大等模块组成。采用负反馈闭环控制系统，单片机实时将预置值和实测值进行比较、调整控制，提高了电流源的输出精度。所设计的数控直流电流源采用PID算法实现了量程可选、输出可调、步进精确、纹波电流极小的功能，而且可将输出电流预置值、实测值在LED上同时显示。经实验证明具有较高的控制精度。 关键词：单片机，电流源，数控，Ｖ/Ｉ变换 0　引言 低纹波、高精度稳定直流电流源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。普通电流源往往是用电位器进行调节，输出电流值无法实现精确步进。有些电流源虽能实现数控但输出电流值往往比较小，且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道等等[1,2]。为此，结合单片机技术及Ｖ/Ｉ变换电路，采用反馈调整控制方案设计制作了一种新型的基于单片机高精度数控直流电流源。它可实现以下功能：（1）具有多个量程,用户可根据实际需要选定。(2)输出电流值可精确预置,最小步进为1ｍＡ，最大输出电流2000ｍＡ。(3)纹波电流极小，小于0.1ｍＡ。(4)LED可同时显示预置电流值、实测电流值及当前量程档，便于用户操作及进行误差分析。 1 硬件系统设计 根据数控直流电流源的要求，由于要求有较大的输出电流范围和较精确的步进要求以及较小的纹波电流，所以不适合采用简单的恒流源电路FET和恒流二极管，亦不适合采用开关电源的开关恒流源，否则难以达到输出范围和精度以及纹波的要求[3]。根据系统要求采用D/A转换后接运算放大器构成的功率放大，控制D/A的输入从而控制电流值的方法。系统的原理框图如图1所示。 图1 系统的原理框图 1.1 数控部分设计 （1）89S52单片机基本系统： 数控部分的核心采用89S52。晶振、复位、74LS245、非易失存储器等组成单片机的基本系统。 （2）D/A转换芯片TLV5618的接口电路： TLV5618是串行输入的12位高精度快速双口D/A转换器，能够输出二倍基准电压的电压信号。其基准电压是由MC1403提供的2.5V电压，因此经D/A转换后的输出为0～5V。12位D/A，分辨率为1/4096，选采样电阻为2欧姆，D/A输出分辨率为1mA的电流，实现步进1mA，完全能够满足本设计的要求 [4]。 （3）A/D转换芯片MAX197的接口电路： MAX197是8路输入、＋5V单电源供电、内有参考电压的12位快速A/D转换器。8位数据线分时使用，内部带有精准参考电源。由于本设计只有输出电流和纹波电流的采集，8路输入通道，完全能够满足本系统的设计要求。 1.2 键盘/显示电路 键盘/显示电路采用了数码管驱动及键盘控制芯片CH451。可以直接动态驱动8位数码管。该器件内置64键键盘控制器，可实现8X8矩阵键盘扫描，内置去抖动电路，可提供按键中断与按键释放标志位等功能。在本系统中设计8位LED显示器和9个按键， 8位LED显示器中4位显示电流给定值，4位显示实际输出电流值。 1.3 电压－电流转换和功率放大电路 压控恒流源是本系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，图2是数控电流源的恒流电路和加法器电路。 运算放大器OP200和晶体管Q1、Q2组成电压－电流转换器，U1A、U1B和电阻R1－R8利用D/A的输出实现对电压进行数控。OP200主要功能是实现精密V/I转换。TIP42C（10A）是大功率PNP三极管，主要功能是实现功率放大。 图2 V/I转换和功率放大电路原理图 因为输出电流范围是0—2000mA，由于取样电阻为2欧姆，则其电压降为0—4000mV，即U1电压范围为11V—14.6V。单纯依靠D/A（0--5V）无法满足要求。 加法器主要是利用其抬高U1点的电压，将U1点的电位抬高到11V，在D/A输出为0—5V时，从而使R9上得到0—2A的电流。V/I转换理论分析： U1A的输出为： ，由于R5＝R4＝R2 ＝10K，故 。 经过U1B的反相作用，故U2A的同相输入端的电压为 ，根据运算放大器虚短的特点，U2A的同相电压等于U2A的反相电压，故负载RL上的电流为： R9采用2欧姆精密电阻，在UDA输出为0时调节可变电阻R1，即调节U0的值，使U0的值为11V，即可达到IRL＝2A。根据题目要求20mA~2000mA，可以算出系数K，根据公式得出D/A转换器的输入值，进而得出准确的输出电流值。 1．4 输出电流采样电路 输出电流采样电路是采用取采样电阻两端的电压差，根据I=V/R 换算得到电流值的。电路原理图如图3所示。通过对电阻R9两端的电压值进行采样