??? 摘 要： 在線性負(fù)反饋恒流源" title="恒流源">恒流源基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的數(shù)控高精度恒流源。該恒流源使用新型微處理器對(duì)電流源負(fù)載電流" title="負(fù)載電流">負(fù)載電流進(jìn)行采樣，使用PID算法在數(shù)字域?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，反饋到恒流源調(diào)整器" title="調(diào)整器">調(diào)整器，實(shí)現(xiàn)快速數(shù)字閉環(huán)反饋控制。測(cè)試結(jié)果表明，在輸出電流10mA～2010mA范圍內(nèi)，電流紋波≤0.06mA，輸出電流與設(shè)定電流相對(duì)誤差≤1％，電流調(diào)節(jié)最小步進(jìn)值為1mA。
??? 關(guān)鍵詞： 恒流源? 微處理器? PID算法? A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器? D/A" title="D/A">D/A轉(zhuǎn)換器? 運(yùn)算放大器
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??? 恒流電源是為電流型負(fù)載提供穩(wěn)定電流的重要儀器。常見的恒流源電路方案有：脈沖調(diào)寬式、線性負(fù)反饋方式[1-2]等。脈沖調(diào)寬式（開關(guān)式）恒流源通過改變調(diào)整器的工作脈沖寬度達(dá)到恒流的目的。目前廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通訊、家電等領(lǐng)域中。這種恒流源調(diào)整器工作在開關(guān)狀態(tài)、功率損耗小、效率高達(dá)70%～95%，但紋波電流大，輻射干擾強(qiáng)、恒流精度低。線性負(fù)反饋式恒流源通過改變調(diào)整器的工作電壓，使其輸出電流保持恒定，具有失真小、穩(wěn)定度高、紋波小等特點(diǎn)，但功率損耗大、效率較低，主要應(yīng)用于高精度場(chǎng)合。
?? PID控制是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的一種方法[3]。PID控制問世至今已有近70年歷史，它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，其控制器的輸出信號(hào)與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系；積分控制是輸出信號(hào)與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系；微分控制的輸出信號(hào)與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。在本系統(tǒng)中，使用比例積分（PD）控制。
??? 本文在線性負(fù)反饋式恒流源基礎(chǔ)上，利用新型微處理器AT89S52[4]對(duì)實(shí)時(shí)負(fù)載電流進(jìn)行采樣，然后根據(jù)用戶設(shè)定的電流值使用工業(yè)控制上成熟的PID算法進(jìn)行處理，最后根據(jù)算法結(jié)果對(duì)恒流源進(jìn)行反饋控制，從而大大提高了系統(tǒng)的恒流精度和穩(wěn)定度。同時(shí)，利用微處理器資源，還提供了鍵盤控制和電流數(shù)值顯示等功能。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
??? 整機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由供電電源、數(shù)控部分、恒流源三大部分構(gòu)成。供電電源為整個(gè)系統(tǒng)提供需要的穩(wěn)定電源；恒流源是系統(tǒng)的核心部分，它本身是一個(gè)獨(dú)立的線性負(fù)反饋恒流源，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的精度；數(shù)控部分是附加在恒流源上的一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，它在數(shù)字域控制恒流源，并響應(yīng)用戶的設(shè)定，顯示電流數(shù)值。
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1．1 恒流源部分
??? 恒流源部分本身是一個(gè)獨(dú)立的線性負(fù)反饋恒流源，如圖2所示。U1（LM350A）為調(diào)整器，是恒流源的核心部件。負(fù)載電流經(jīng)采樣電阻R5，產(chǎn)生微弱的采樣電壓，經(jīng)過超低噪聲運(yùn)算放大器U2同相放大。放大的電壓信號(hào)送往由U3組成的差分放大器的負(fù)端(同時(shí)送往數(shù)控部分進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換)。差分放大器把負(fù)端采樣電壓與正端的數(shù)控部分設(shè)定電壓的差值進(jìn)行放大，輸出到調(diào)整器的調(diào)整端，形成閉環(huán)反饋。若有某種情況使負(fù)載電流增加，則采樣電阻上的電壓增加，使同相放大器U2輸出電壓變大，差分放大器輸出電壓減小，調(diào)整器調(diào)整端電壓減小，調(diào)整器輸出電壓變低，使負(fù)載電流減小，從而維持了負(fù)載電流的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，反之亦然。可以看出，差分放大器的正端決定了負(fù)載電流的大小。若U3正端電壓升高，則調(diào)整器調(diào)整端電壓升高，調(diào)整器輸出電壓升高，負(fù)載電流增加，同相放大器輸出增加，差分放大器負(fù)端電壓升高，直到U3正負(fù)端電壓相等，系統(tǒng)再次動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。
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??? 采樣電阻串聯(lián)在負(fù)載回路內(nèi)，并由此檢測(cè)負(fù)載電流變化。因此，采樣電阻的穩(wěn)定性將直接影響到恒流源的性能，且采樣電阻還應(yīng)有足夠大的功率，否則也會(huì)影響恒流源的性能甚至燒壞。綜合以上各因素，在實(shí)際電路中選用大功率錳銅材料制成的精密電阻，其溫度系數(shù)達(dá)到(-3～＋20）10-6/℃。
??? 采樣放大器U2選用超低噪聲運(yùn)放AD797。因?yàn)樗幱陂]環(huán)反饋的第一級(jí)，所以要盡量減小噪聲的影響。
差分放大器U3選用高精度運(yùn)放OP07,提供高精度的比較結(jié)果。
????過熱、過流、過壓保護(hù)功能由三端穩(wěn)壓芯片LM350內(nèi)部提供。
??? 為了使電路在未加負(fù)載時(shí)仍處于線性工作狀態(tài)，還要有一定預(yù)負(fù)載。預(yù)負(fù)載電流一般取：
??? IR0=IOMax/(20-50)
??? 預(yù)負(fù)載電阻R4取220Ω，功率為2W。
??? D4是為了防止引線較長(zhǎng)使線路中出現(xiàn)反向感應(yīng)電壓而損壞電路。加上D4可使反向感應(yīng)電壓經(jīng)過D4構(gòu)成閉合回路，從而保護(hù)電路。
1．2 數(shù)控部分
??? 數(shù)控部分主要由微處理器模塊、A/D模塊、D/A模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、復(fù)位模塊等組成。微處理器是整個(gè)數(shù)控部分的處理控制中心；A/D模塊完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；D/A模塊完成數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換；鍵盤模塊給用戶提供控制接口；顯示模塊根據(jù)需要顯示相應(yīng)的電流值；復(fù)位模塊為整個(gè)數(shù)控部分提供可靠的復(fù)位信號(hào)。
??? 數(shù)控部分主要完成以下幾個(gè)任務(wù)：(1)響應(yīng)用戶的按鍵操作，保存用戶設(shè)定的電流值。(2)控制A/D模塊按照一定的周期將采樣信號(hào)（圖2中U2的輸出）數(shù)字化。(3)在微處理器內(nèi)部按照PID算法根據(jù)用戶設(shè)定值對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。(4)將處理結(jié)果通過D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，輸出到恒流源差分比較器的正端，完成數(shù)控部分對(duì)恒流源部分的控制。(5)按照用戶的需要顯示相應(yīng)的電流值。
??? 微處理器選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS工藝的8位單片機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的引腳和指令完全兼容。
??? 為了滿足取樣精度及轉(zhuǎn)換精度，選取12位的A/D芯片AD574和12位的D/A芯片DAC1230。在輸出2000mA情況下，控制精度可達(dá)2000mA/212≈0.5mA。
??? 顯示模塊選用MAX7219，串行接口，可以直接驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管。
??? 鍵盤模塊直接使用微處理器的通用I/O口。
??? 復(fù)位模塊選用MAX813，具有上電復(fù)位功能、低壓復(fù)位功能以及內(nèi)部集成看門狗和比較器。
1．3 供電電源
??? 電源部分使用單輸入三輸出變壓器，將市電（220V/50Hz）轉(zhuǎn)換為兩路17V和一路9V的交流電源。分別使用通用的三端穩(wěn)壓芯片LM350A、LM337、LM7805將三路交流電源整流為系統(tǒng)所需的三種直流電源：+15V(3A)、-15V(1.5A)、+5V(1A)。其中+15V電源為恒流源、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器提供正電源；-15V電源為A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器提供負(fù)電源；+5V電源為數(shù)控部分提供工作電源。三種電源都設(shè)計(jì)了必要的保護(hù)電路、指示燈及預(yù)負(fù)載電路，以保證其正常、穩(wěn)定地工作。
2 軟件設(shè)計(jì)
??? 程序分主程序和中斷程序兩大塊。主程序處理用戶的按鍵和顯示，中斷程序處理A/D轉(zhuǎn)換、PID算法、D/A轉(zhuǎn)換等任務(wù)。
主程序中，首先初始化寄存器和外圍芯片，設(shè)置相應(yīng)的變量。然后反復(fù)地調(diào)用鍵盤掃描模塊和顯示模塊。
??? 中斷程序包括定時(shí)器中斷和外部中斷。利用微處理器的定時(shí)器資源，設(shè)置130ms的定時(shí)器。在定時(shí)器中斷程序中，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換模塊，然后退出中斷程序。
??? 當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成時(shí)，觸發(fā)微處理器的外部中斷。在外部中斷程序中，讀取最新的采樣數(shù)據(jù)，調(diào)用PID算法，根據(jù)用戶設(shè)定值進(jìn)行處理，接著調(diào)用D/A模塊，將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并輸出，最后退出中斷程序。外部中斷流程圖如圖3所示。
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??? 這樣設(shè)計(jì)的好處是，可以保證固定的采樣周期，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。將不需要及時(shí)作出響應(yīng)的鍵盤及顯示放在主程序中，有利于節(jié)省微處理器的資源。
3 性能測(cè)試
??? 恒流源使用時(shí)，先加上負(fù)載，預(yù)熱30分鐘，使系統(tǒng)內(nèi)部溫度達(dá)到平衡狀態(tài)，然后開始測(cè)量。在設(shè)定不同的電流值后，利用5位半數(shù)字萬用表測(cè)量實(shí)際的電流值并和數(shù)控部分顯示的電流值進(jìn)行比較，利用示波器檢測(cè)電流的波動(dòng)，并給出紋波和絕對(duì)誤差，如表1所示。
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??? 在改變輸入電源電壓的情況下，測(cè)量電流值如表2所示。
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??? 在改變負(fù)載的情況下，測(cè)量電流值，如表3所示。
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??? 在傳統(tǒng)的線性負(fù)反饋恒流源的基礎(chǔ)上，增加微處理器控制，通過測(cè)量負(fù)載電流，與設(shè)定值比較，使用PID算法，根據(jù)算法結(jié)果調(diào)整電流值，大大提高了恒流源的性能。利用此原理，用戶按照自己的需要，增加相應(yīng)的功能，很容易做出各種實(shí)用的高精度電流源。
參考文獻(xiàn)
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