引言

恒流源是模擬電路中的重要組成部分,它可以用作偏置、控制或驅(qū)動(dòng)電路。傳統(tǒng)電流鏡電路通過調(diào)整偏置電阻大小來改變恒流源特性,單憑手動(dòng)改變可變電阻的大小,在一些要求非線性、高精度、快速反應(yīng)的場(chǎng)合難以實(shí)現(xiàn)精確控制,而且不能在功耗和性能之間取得平衡。此外,傳統(tǒng)電流源很容易受到溫度、電源電壓等因素的影響。而采用微處理器能克服上述缺點(diǎn),進(jìn)行自動(dòng)控制和手動(dòng)監(jiān)控,大大提高系統(tǒng)的精確度和反應(yīng)速度。本文介紹的是用AT89C51控制的恒流源電路,它具有外部電路簡(jiǎn)單、干擾較小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)是一種數(shù)字式的電壓控制電流源,可以實(shí)現(xiàn)非線性控制,并且在自動(dòng)調(diào)整、精確控制等方面有廣闊的應(yīng)用前景。 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)由單片機(jī)、小鍵盤、DAC、電壓控制電流源幾部分組成。設(shè)計(jì)中采用的是ATMALAT89C51芯片,它有4個(gè)輸入和輸出口,分別為P0、P1、P2、P3。下面僅以P1口為例來說明系統(tǒng)原理。從4×4小鍵盤輸入一個(gè)0～255的數(shù)值,單片機(jī)從P0口得到鍵碼加以識(shí)別并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),在P1口輸出對(duì)應(yīng)的8位控制碼,經(jīng)過一個(gè)8位的DAC,轉(zhuǎn)換成模擬電壓。這個(gè)電壓再經(jīng)過電壓控制電流源,實(shí)現(xiàn)恒流。

當(dāng)系統(tǒng)需要更高精確度時(shí),可以通過增加鎖存器和模擬開關(guān),對(duì)控制碼進(jìn)行鎖存,同時(shí)換用更高位數(shù)的DAC即可。

硬件基本組成

電壓控制電流源的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用的是線性電源,受控源可以用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn),如圖1所示。這種電流源不受Vcc和Vee的影響,甚至在Vcc和Vee不對(duì)稱的情況下,仍保持良好的線性關(guān)系。

在圖l電路中,同相端電壓U3,和反相端電壓U2相等,那么：

流過負(fù)載的總電流I0為：

由于R3R4+R5,R1=R2,最后整理得：

電流Iout是一個(gè)與負(fù)載無關(guān)的量,它的大小取決于輸入電壓Vin,可知其具有受控恒流特性。
電壓控制電流源電路具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1．當(dāng)Vin>Vcc時(shí),Vin對(duì)電流源不起控制作用,這是由運(yùn)放本身固有特性所決定的。如果要增大調(diào)節(jié)范圍,就必須提高運(yùn)放的Vcc和Vee。

2．R5的數(shù)值與電流大小有關(guān),但不是式(4)給出的那種線性關(guān)系。當(dāng)R5減小到一定數(shù)值的時(shí)候(如R5=50 Ω),電壓控制恒流源的最大電流達(dá)到負(fù)載最大電流(當(dāng)Vin=Vcc時(shí),Iout=Iout,max),而且Iout動(dòng)態(tài)范圍會(huì)變小。R5每減小一半,動(dòng)態(tài)范圍就縮小一半。當(dāng)R5=0Ω時(shí),電壓控制恒流源的電流為負(fù)載最大電流(Iout,max),不隨輸入電壓Vin變化。

3．R1影響恒流源起始電流的大小(即Vin=0V時(shí)),當(dāng)R1=1MΩ 時(shí),起始電流為0mA;R1=1.6MΩ,起始電流為6.2mA;R1=1.9MΩ時(shí),起始電流為14.2mA。故為避免零點(diǎn)漂移,應(yīng)使R1在1MΩ左右。

4．R4也影響起始電流的大小,當(dāng)R4>1MΩ時(shí),R1起主要調(diào)節(jié)作用。

5．R3的變化影響調(diào)節(jié)的范圍,如R3=300KΩ時(shí),可調(diào)的電壓為5V～10V。

三極管構(gòu)成VCCS的電流大小與工作偏置電壓直接相關(guān)。當(dāng)Vcc改變的時(shí)候,流入負(fù)載電阻的電流會(huì)隨之發(fā)生改變,而且其輸出電阻較小,這些因素使得VCCS的工作特性變差。由于每個(gè)三極管的伏安特性并不完全一致,其放大倍數(shù)β也不完全相同,三級(jí)管的參數(shù)也會(huì)隨溫度變化,致使最后的恒流特性差異更大。此外,電流比較大時(shí),三極管功耗非常大,使得電路效率不高,容易燒壞三極管。

這個(gè)系統(tǒng)使用運(yùn)算放大器搭建VCCS,由于運(yùn)放有差分對(duì)輸入,可以抑止共模信號(hào),對(duì)溫度漂移有良好的抑制作用,有利于減少干擾。另外,恒流源的工作電流與Vcc、Vee無關(guān),只與和它構(gòu)成反饋的電阻阻值有關(guān)。運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)差異并不會(huì)影響其最終的恒流特性,穩(wěn)定性較好。