基于單片機(jī)控制的高精密直流電流源的設(shè)計(jì)

高精密電流源能為精密儀器提供精度較高的電流供給，適用于半導(dǎo)體和材料科學(xué)研究中各種電阻的自動(dòng)測(cè)量任務(wù)。具體應(yīng)用中，對(duì)電流源的精度、可控性要求較高，使用單片機(jī)控制的高精密電流源設(shè)計(jì)，相對(duì)于現(xiàn)行的其他設(shè)計(jì)方法而言，可以較好地滿足上述要求，并且具有設(shè)計(jì)容易、性價(jià)比高、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S系列高性價(jià)比的52單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，體積輕小，實(shí)用性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。

    1 系統(tǒng)組成及工作原理

    本設(shè)計(jì)通過(guò)AT89S52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)D／A轉(zhuǎn)換芯片DAC714和A／D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543的控制，來(lái)產(chǎn)生直流電壓信號(hào)，經(jīng)輸出采樣電路的電壓／電流轉(zhuǎn)換、放大，輸出穩(wěn)定的直流電流。系統(tǒng)中使用D／A輸出、A／D采樣，與主控單片機(jī)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。可用鍵盤進(jìn)行電流數(shù)值設(shè)定，用LED(發(fā)光二極管)進(jìn)行顯示。如圖1所示。

    2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

    2.1鍵盤及顯示電路

    預(yù)設(shè)電流值用4×4矩陣鍵盤進(jìn)行輸入，用P0口進(jìn)行掃描，因單片機(jī)的I／O口比較充裕，所以采用性價(jià)比較高的三-八譯碼方式對(duì)4個(gè)獨(dú)立的7段LED進(jìn)行譯碼和驅(qū)動(dòng)，74LS138譯碼器多余引腳用做擴(kuò)展端預(yù)留。具體接法如圖2所示。

    2.2閉環(huán)系統(tǒng)

    以AT89S52單片機(jī)作為控制核心，用P2.0～P2.3作為DAC714的時(shí)序控制線，用P2.4～P2.7作為TLC2543的時(shí)序控制線。其接口電路如圖3所示。

    DAC714輸出引腳VOUT根據(jù)單片機(jī)寫入的數(shù)據(jù)輸出直流電壓，然后經(jīng)輸出采樣電路，使負(fù)載獲得直流電流，為了讓負(fù)載獲得精確的直流電流，通過(guò)TLC2543采樣電阻R0上的電壓得到采樣數(shù)據(jù)并送入單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)算法更新寫入DAC714的數(shù)據(jù)，從而更新輸出電流，保證了負(fù)載的穩(wěn)定。輸出采樣電路如圖4所示。

    謹(jǐn)慎選取和焊接采樣電路中R0、T1、L幾個(gè)關(guān)鍵元件是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，圖中采樣電阻R0必須使用高精密大功率電阻，因?yàn)镽0在電路中有兩大作用：一是通過(guò)R0將電壓轉(zhuǎn)換為電流，如果R0精度過(guò)低，將直接引起輸出電流偏離預(yù)設(shè)值；二是TLC2543通過(guò)采樣R0上的電壓值為單片機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制提供數(shù)據(jù)。因本設(shè)計(jì)最大輸出電流為5 A，所以R0的功率應(yīng)足夠大。本系統(tǒng)用的是精度為0.1％、功率為25 W的1 Ω精密電阻，因TLC2543采樣輸入腳和運(yùn)放OP07負(fù)輸入端的輸入電阻均為兆歐級(jí)以上，所以TLC2543對(duì)R0采樣時(shí)不會(huì)有任何影響。電路中T1也應(yīng)選取大功率管，本系統(tǒng)采用集電極電流可達(dá)25 A、集電極耗散功率為120 W的NPN型管2SD2256。電路中L應(yīng)選取電感量較大和承受電流值較大的電感，以達(dá)到良好的濾波效果。

    在實(shí)際連接此電路時(shí)，接地的方法對(duì)輸出電流將產(chǎn)生很大影響，因?yàn)樨?fù)載RL上的電流等于R0上的電流，而R0上的電流值等于DAC714輸出電壓除以R0的阻值，假設(shè)DAC714輸出電壓為1 V，R0的一端到地的電阻為0.1Ω，則R0上的電流值為：IR0=1／(1+0.1)=0.91 A，與預(yù)設(shè)值1 A相差0.09 A。由此可見(jiàn)，若電路接地方法不當(dāng)將引起很大的誤差結(jié)果。所以，在本設(shè)計(jì)中，適合采用單點(diǎn)接地，且各接地線應(yīng)盡量短和粗。同時(shí)，使用散熱片對(duì)R0和T1進(jìn)行良好的散熱。

    3 閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒流控制過(guò)程

    TLC2543第14腳REF+為模擬輸入的正基準(zhǔn)電壓端，13腳REF-為負(fù)基準(zhǔn)電壓端，這2只引腳的電壓差決定了最大輸入電壓值。本系統(tǒng)將REF+接于+5 V，REF-接于0V，所以VmaxIN=VREF+-VREF-=5 V。DAC714被設(shè)置為輸出0～+10 V。表1為DAC714工作于單極0～+10 V輸出模式下的數(shù)據(jù)輸入與輸出電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系。表2為TLC2543輸入電壓與輸出數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

    由表1可知，當(dāng)DAC714工作在單極0～10 V輸出模式時(shí)，輸出電壓分辨率為10／216≈0.153 mV。由于本系統(tǒng)輸出電流為0～5 A，所以只使用表1中8000H～FFFFH與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由表2可知，TLC2543的分辨率為5／212≈1.22 mV。

    下面以一例詳細(xì)介紹系統(tǒng)閉環(huán)控制原理及過(guò)程，如圖5所示。

     圖中：Iuser為用戶預(yù)設(shè)電流值；Icrrent為當(dāng)前實(shí)際輸出電流值；Cuscr為用戶預(yù)設(shè)電流值的初始控制數(shù)據(jù)；Cin為單片機(jī)寫入：DAC714的控制數(shù)據(jù)字；Cout為TLC2543采樣數(shù)據(jù)；Cerror為TLC2543采樣值與預(yù)設(shè)值的誤差，初始值為0。

    由圖5中的算法可見(jiàn)，該閉環(huán)控制電路能有效地更正因各種原因產(chǎn)生的輸出誤差，保證了電流源的穩(wěn)定度和精度。在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用戶鍵人預(yù)設(shè)值并按確定后，輸出電流在前2 s內(nèi)不斷更新，3 s后輸出電流基本穩(wěn)定不變，僅有第4位稍有跳變，即輸出精度為10-3A。可見(jiàn)，由于系統(tǒng)內(nèi)、外部引起的誤差是存在的，但經(jīng)過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)的控制穩(wěn)定了輸出。

    4 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    圖6為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖。

    上電后，單片機(jī)首先初始化，顯示初始值為0，其次掃描鍵盤，查看是否有鍵按下，有鍵按下則進(jìn)行按鍵處理，然后送顯示數(shù)據(jù)到LED，接著寫入到DAC714的控制字，即為L(zhǎng)ED顯示值的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，單片機(jī)再通過(guò)TLC2543采樣數(shù)據(jù)，并對(duì)采樣值、預(yù)設(shè)值進(jìn)行運(yùn)算和處理，更新顯示、輸出等有關(guān)數(shù)據(jù)。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    本文闡述了利用單片機(jī)進(jìn)行高精密直流電流源的設(shè)計(jì)過(guò)程，所設(shè)計(jì)的電流源精度為電流值10-3A。驗(yàn)證通過(guò)，性能穩(wěn)定，適用于半導(dǎo)體和材料科學(xué)研究中各種電阻的自動(dòng)測(cè)量任務(wù)。此外，D／A與A／D配合使用的方法及相關(guān)算法適用于其他同類應(yīng)用，也具有很好的實(shí)用性和通用性