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作者：www.wfyle.cn 發(fā)布日期：2014-12-17 00:23 信息來源：http://www.wfyle.cn
摘要：本設(shè)計(jì)采用凌陽(yáng)十六位單片機(jī)SPCE061A作為直流恒流源的控制、顯示和輸出電流檢測(cè)核心，實(shí)現(xiàn)了-2A到2A數(shù)控可調(diào)直流恒流源。系統(tǒng)的顯示部分采用128×64點(diǎn)陣式液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示設(shè)定電流值和實(shí)測(cè)電流值；輸出電流控制采用SPCE061A單片機(jī)的D/A口輸出模擬量；電流測(cè)量采用基本沒有溫度漂移的康錳銅電阻絲作為精密取樣電阻，利用SPCE061A的A/D輸入口進(jìn)行電流檢測(cè)和監(jiān)控。硬件電路恒流部分的控制端采用多個(gè)精密運(yùn)算放大器OP07接成閉環(huán)反饋控制形式，受控部分采用達(dá)林頓管進(jìn)行擴(kuò)流、精確輸出設(shè)定電流。電源部分采用大功率變壓器供電，多級(jí)電容濾除紋波干擾；電源輸出采用三端穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，并且利用大功率達(dá)林頓管進(jìn)行擴(kuò)流以滿足后級(jí)功率需求。
關(guān)鍵字：SPCE061A 恒流源
一、方案論證
如題目要求，系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、電流源模塊、負(fù)載模塊及鍵盤顯示模塊構(gòu)成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。
1、控制模塊的選擇方案
方案一：采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)需要使用的軟件資源比較簡(jiǎn)單，只需要完成數(shù)控部分、鍵盤輸入以及顯示輸出功能。采用AT89C51進(jìn)行控制比較簡(jiǎn)單，但是51單片機(jī)資源有限，控制輸入輸出，需要外接8279之類的芯片進(jìn)行I/O擴(kuò)展。
方案二：采用SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行控制。SPCE061A凌陽(yáng)單片機(jī)具有強(qiáng)大功能的16位微控制器，它內(nèi)部集成7路10位ADC和2通道10位DAC，可以直接用于電流測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)字控制輸出；I/O口資源豐富，可以直接完成對(duì)鍵盤輸入和顯示輸出的控制；存儲(chǔ)空間大，能配合LCD液晶顯示的字模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采用SPCE061A單片機(jī)，能將相當(dāng)一部分外圍器件結(jié)合到一起，使用方便，抗干擾性能提高。
鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案二。
2、電源模塊的選擇方案
由于該題要求輸出最大電流達(dá)2A，輸出最大電壓達(dá)到10V，且紋波電流要求很小，因此對(duì)電源的要求比較高，尤其體現(xiàn)在電源的功率和紋波電壓的要求。
方案一：采用全橋整流加電容濾波電路
該電源為正負(fù)對(duì)稱輸出，實(shí)際輸出電壓為正負(fù)20V左右，100nF、1.0uF用于濾除電源中的高頻交流成分。為了滿足大電流要求，后級(jí)濾波電容選用了10000uF。
這種電路廣泛應(yīng)用于一些要求不太高的電流直流電源中，其驅(qū)動(dòng)能力和后級(jí)的濾波電容有關(guān)，該電路顯著的特點(diǎn)就是能夠比較好的滿足電流的瞬態(tài)相應(yīng)，而如果負(fù)載要求持續(xù)的大電流輸出，該電路將無能為力。
方案二：采用三端穩(wěn)壓集成電路
一般的三端穩(wěn)壓集成塊穩(wěn)壓效果較好，但難以達(dá)到2A以上的大電流輸出，為了滿足本題需要可以采用多塊穩(wěn)壓集成塊并聯(lián)的方式來擴(kuò)流。這種電路理論上輸出電流能力為各塊集成塊輸出最大電流的和。要達(dá)到比較好的穩(wěn)壓效果，要求并聯(lián)的各穩(wěn)壓塊參數(shù)盡量接近。在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流接近理論值時(shí)，穩(wěn)壓效果急劇變差，這是由于器件的不一致性所造成的。因此，要取得好的穩(wěn)壓效果，理論輸出最大電流值要大于所需電流值，這必然造成器件的浪費(fèi)，且器件的選擇還必須參數(shù)盡量接近。
方案三：采用三端穩(wěn)壓集成電路外接擴(kuò)流管
這種電路既利用了穩(wěn)壓集成塊優(yōu)秀的穩(wěn)壓性能，又能夠有一定的電流輸出，在一些高精度的線性穩(wěn)壓電源中被廣泛采用，其基本電路圖如圖1.1所示。采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7812驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管TIP127，該管最大集電極電流為8A，仿真時(shí)當(dāng)電流為3A左右時(shí)，紋波電壓僅為幾十uV，有著非常優(yōu)異的性能。
鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三。
3、電流源模塊的選擇方案
方案一：由晶體管構(gòu)成鏡像恒流源
該電路的缺點(diǎn)之一在于電流的測(cè)量精度受到兩個(gè)晶體管的匹配程度影響，其中涉及到比較復(fù)雜的工藝參數(shù)。另一缺點(diǎn)在于，集電極最大輸出電流約為幾百毫安，而題目要求輸出電流為200～2000mA，因此由晶體管構(gòu)成的恒流源不適合采用。
方案二：由運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流電路
運(yùn)算放大器構(gòu)成的恒流電路擺脫了晶體管恒流電路受限于工藝參數(shù)的缺點(diǎn)。但是只由運(yùn)放構(gòu)成的恒流電路，輸出電流同樣只能達(dá)到幾十毫安，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此必須加上擴(kuò)流電路。
方案三：由運(yùn)算放大器加上擴(kuò)流管構(gòu)成恒流電路
采用運(yùn)算放大器加上擴(kuò)流管構(gòu)成恒流電路，既能利用運(yùn)算放大器準(zhǔn)確的特性，輸出又能達(dá)到要求。采用高精度運(yùn)算放大器OP07，更能增加其準(zhǔn)確的性能；采用達(dá)林頓管TP127進(jìn)行擴(kuò)流，具有很大的擴(kuò)流能力，兩者結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)比較精確的恒流電路。
鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三。
4、電流取樣電阻的選擇方案
產(chǎn)生電流可以采用在電阻兩端加電壓的方法，測(cè)量電流一般采用的方法是測(cè)量電流流經(jīng)電阻兩端的電壓進(jìn)行間接計(jì)算得到的。因此在產(chǎn)生電流或者測(cè)量電流值時(shí)，取樣電阻的選擇非常重要。
方案一：采用普通電阻。
在電流比較小的情況下，普通的1/4W或者1/8W的電阻可以被用作電流測(cè)量，但是本題需要測(cè)量的是電流源的輸出電流，最大需要達(dá)到2A。因此即使是比較小的電阻，如1Ω電阻，通過2A電流時(shí)功率也已經(jīng)達(dá)到4W，大大超過普通電阻的額定功率，電阻將被燒斷。因此在本系統(tǒng)中，測(cè)量電流的取樣電阻不能使用普通電阻。
方案二：采用大功率電阻。
為了滿足流過大電流的要求，可以采用大功率電阻，如1Ω/10W的電阻，通過2A電流時(shí)一定不會(huì)被燒斷。但是此時(shí)流過的大電流將會(huì)使電阻大量發(fā)熱，導(dǎo)致電阻溫度急劇上升。一般的大功率電阻在溫度很高時(shí)，將產(chǎn)生比較嚴(yán)重的阻值溫度漂移。在產(chǎn)生電流的情況下，由于電壓值與實(shí)際的電流值并非一一對(duì)應(yīng)，將產(chǎn)生錯(cuò)誤的電流；在測(cè)量電流的情況下，測(cè)量電流也會(huì)隨著阻值的溫度漂移而產(chǎn)生嚴(yán)重的變化，將產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。因此用于這些情況下的取樣電阻也不能使用溫度漂移嚴(yán)重的普通大功率電阻。
方案三：采用康錳銅電阻絲。
康錳銅電阻絲是電流測(cè)量中很常用取樣電阻，其特點(diǎn)在于溫度漂移量非常小。經(jīng)過測(cè)試，在1Ω的康錳銅電阻絲上通過約2A電流，由于產(chǎn)生的熱量引起的升溫，只會(huì)引起0.02Ω左右的阻值變化，對(duì)電流的穩(wěn)定起了很重要的作用。另一方面，1Ω的康錳銅電阻絲約長(zhǎng)1m，由于和外界接觸面積大，即使通過大電流也能很快的散熱，進(jìn)一步的減小溫度漂移帶來的影響。
鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三。
5、顯示模塊的選擇方案
方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。由于要求顯示設(shè)定值和測(cè)量值，需要顯示的值比較多。采用LED數(shù)碼管需要用動(dòng)態(tài)掃描，占用資源比較多。整個(gè)顯示界面顯得不太友好。
方案二：采用LCD液晶顯示器顯示。采用128×64點(diǎn)陣LCD液晶顯示，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)用方便簡(jiǎn)單，而且可以節(jié)省了軟件中斷資源。其缺點(diǎn)在于顯示內(nèi)容需要存儲(chǔ)字模信息，需要一定存儲(chǔ)空間。由于作為控制器的單片機(jī)SPCE061A有32K字的Flash，有足夠的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)字模數(shù)據(jù)綽綽有余。
鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三。
二、詳細(xì)軟硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)題目要求和以上論證，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示，主控制器與各外圍模塊的硬件連接圖如圖2.2所示。
系統(tǒng)工作過程如下：自制電源為電源電路，提供給各模塊；SPCE061A單片機(jī)通過檢測(cè)鍵盤輸入，經(jīng)過運(yùn)算相應(yīng)改變10位DAC的輸出值，控制電流源電路輸出的電流值；電流源輸出經(jīng)過負(fù)載取出電壓值，由SPCE061A單片機(jī)的10位ADC進(jìn)行采樣測(cè)量；最后通過LCD液晶顯示出設(shè)定值和測(cè)量值。
1、硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的硬件部分主要包括三大部分：恒流源電路、電流測(cè)量電路和單片機(jī)控制電路。恒流源電路包括電源電路、恒流源電路以及SPCE061A單片機(jī)10位DAC的輸出電路。電流測(cè)量電路包括電壓采樣電路和SPCE061A單片機(jī)10位ADC輸入前的電平轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)控制電路包括SPCE061A單片機(jī)、鍵盤電路和顯示電路。下面詳細(xì)介紹各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)。
（1）電源電路的硬件設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，要求輸出2A的大電流，而且對(duì)紋波的要求很高，電源部分的電路圖如圖2.3所示。50Hz交流220V電壓經(jīng)過變壓器，輸出約±20V交流電壓，經(jīng)過全橋進(jìn)行整流，通過電容濾波，100nF、1.0uF用于濾除電源中的高頻交流成分。采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7812驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管TIP127，使電源輸出電流能達(dá)到2A以上，以滿足電流源的需要。
利用Multisim 8對(duì)圖2.1電源電路進(jìn)行仿真。當(dāng)正負(fù)兩路電源輸出負(fù)載為5Ω時(shí)，分別用虛擬萬用表測(cè)量正負(fù)兩路電源的輸出電壓（即圖2.3的節(jié)點(diǎn)11和節(jié)點(diǎn)6），以及通過負(fù)載的電流，得到結(jié)果如2.4所示。正端電源輸出電壓為11.84V，流經(jīng)負(fù)載電流為2.368A；負(fù)端電源輸出電壓為-11.869V，流經(jīng)負(fù)載電流為2.374A。正負(fù)兩路輸出功率均能達(dá)到20W，滿足電流源最大電流2A，最高電壓10V的輸出功率要求。
�。�2）數(shù)控電路的設(shè)計(jì)
數(shù)控部分主要利用SPCE061A單片機(jī)的10位DAC實(shí)現(xiàn)。SACE061A的DAC是電流型DAC，需要對(duì)地接電阻以得到電壓控制量。對(duì)地接電位器，調(diào)節(jié)得到0～2V電壓。分別線性對(duì)應(yīng)成-2A～2A的電流。再經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行隔離，取出控制恒流源的控制電壓值。該部分電路如圖2.5所示。
�。�3）恒流源電路的設(shè)計(jì)
恒流源電路如圖2.6所示。其中，運(yùn)算放大器U3是一個(gè)反相加法器，一路輸入為控制信號(hào)V1，另一路輸入為運(yùn)放U1的輸出反饋，R8是U3的反饋電阻。針對(duì)運(yùn)算放大器輸出電流小的不足，該電路加了擴(kuò)流電路。采用達(dá)林頓管TIP122和TIP127組成推挽式電路，兩管輪流導(dǎo)通。U2是電壓跟隨器，輸入阻抗高，基本沒有分流，因此流經(jīng)R2的電流全部流入負(fù)載RL。U1是反相放大器，取R14＝R11時(shí)，放大倍數(shù)為-1，即構(gòu)成反相器。
若U3的輸入電壓為Vin，根據(jù)疊加原理，有
由U2的電壓跟隨特性和U1的反相特性，有
代入得到
即流經(jīng)R7的電流完全由輸入控制電壓Vin決定
由于U2的輸入端不取電流，流經(jīng)負(fù)載RL的電流完全由輸入控制電壓Vin決定，實(shí)現(xiàn)了壓控直流電流源的功能。
由于R7中流過的電流就是恒流源的輸出電流，按照題目要求，輸出的直流電流需要達(dá)到2A，這里采用康錳銅電阻絲作為電阻R7。
�。�4）電流測(cè)量采樣電路的設(shè)計(jì)
如前所述，恒流源的輸出電流值完全由圖2.6中的康錳銅電阻絲R7決定的，可以通過測(cè)量康錳銅電阻絲的兩端電壓來測(cè)量恒流源的輸出電流。
圖2.7完成的是對(duì)康錳銅電阻絲兩端電壓的提取和轉(zhuǎn)換功能。圖中R1即為康錳銅電阻絲。V1為正電流流入點(diǎn)，V2為正電流流出點(diǎn)。U1和U3兩個(gè)運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器，分別提取出V1和V2兩點(diǎn)的電壓值，由于電壓跟隨器輸入阻抗很高，基本不取電流，因此不會(huì)影響恒流源的輸出值。電壓V2經(jīng)過U3的同相跟隨和U4的反相，得到的電壓值為-V2。V1和-V2兩路電壓接入反相加法器U2，輸出電壓為
由于恒流源的輸出電流范圍為±2A，V1-V2的差值是正負(fù)對(duì)稱的，因此通過調(diào)整電位器Rf的值，可以將反相加法器的輸出固定在-1.5V～1.5V，作為反相加法器U5的一個(gè)輸入端；從電源電路引出的±12V直流信號(hào)分別通過LM7805和LM7905，將電壓穩(wěn)定在±5V，然后通過電位器取出-1.5V直流電平，作為反相加法器的另外一個(gè)輸入端。則U5的輸出電壓范圍為0～3V，將該電平輸入到SPCE061A單片機(jī)的ADC輸入，則通過V1-V2和0～3V以及A/D的數(shù)字采樣之間的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以通過單片機(jī)測(cè)量出V1-V2的電壓值，從而計(jì)算出恒流源的輸出電流。
圖 2.7 電流測(cè)量采樣及電平轉(zhuǎn)換電路
�。�5）鍵盤電路的設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，鍵盤主要用于設(shè)定電流源的輸出電流值。為了操作更方便，采用了1×8按鍵，連接到SPCE061A單片機(jī)IOA的高8位，采用直接檢測(cè)電平的方法檢測(cè)按鍵。其中使用了5個(gè)按鍵，按鍵面板如圖2.8所示。設(shè)定鍵用于正常狀態(tài)和設(shè)定狀態(tài)之間的切換。左右鍵用于設(shè)定狀態(tài)下，設(shè)定位置的選擇；上下鍵用于改變?cè)O(shè)定位的值。調(diào)節(jié)范圍為0～2A，步進(jìn)1mA。
圖2.8 鍵盤面板圖
�。�6）顯示電路的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用128×64 LCD液晶點(diǎn)陣顯示。8位數(shù)據(jù)線分別連接到SPCE061A的IOB高8位，并且利用IOB3～I(xiàn)OB7作為控制線。正常狀態(tài)下顯示面板圖如圖2.9所示。
當(dāng)設(shè)定電流和負(fù)載電阻的配合使負(fù)載兩端電壓值超過題目要求的10V最大電壓時(shí)，將會(huì)輸出警告信息，此時(shí)顯示面板輸出圖如圖2.10所示。
圖2.9 正常狀態(tài)下顯示面板圖 圖 2.10 報(bào)警狀態(tài)下顯示面板圖
2、軟件設(shè)計(jì)
（1）主程序流程圖
軟件的主程序流程如圖2.11所示。主程序不斷檢測(cè)是否有按鍵輸入，如果有按鍵，則進(jìn)行相應(yīng)的鍵值處理，根據(jù)按鍵改變?cè)O(shè)定的電流值，實(shí)現(xiàn)數(shù)控輸入。再根據(jù)設(shè)定值，對(duì)應(yīng)改變顯示內(nèi)容和DAC輸出的控制電壓。當(dāng)設(shè)定電流值為正的時(shí)候，通過SPCE061A的I/O口控制兩個(gè)模擬開關(guān)的導(dǎo)通與截止。
圖 2.11 主程序流程圖
�。�2）中斷服務(wù)函數(shù)流程
中斷服務(wù)函數(shù)主要處理測(cè)量電流時(shí)的采集數(shù)據(jù)，每0.5s進(jìn)行一次電壓的A/D采集，根據(jù)采集得到的電壓換算成被測(cè)電流值，并且顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。另外，為了使改變電流設(shè)定值的時(shí)候界面顯得更加友好，在被修改的一位上加上閃爍功能，因此每隔0.5s改變一次標(biāo)志位的值。中斷服務(wù)函數(shù)流程如圖2.12所示。
圖 2.12 中斷服務(wù)函數(shù)流程
三、測(cè)試說明
1、測(cè)試儀器
電路測(cè)試中使用的儀器設(shè)備及其用途如表3.1所示。
表3.1 電源部分測(cè)試使用的儀器設(shè)備
序號(hào)
儀器名稱及型號(hào)
數(shù)量
用途
1
VC9806+四位半數(shù)字萬用表
1
測(cè)量負(fù)載電流
2
DT9205三位半數(shù)字萬用表
1
測(cè)量電源輸出電壓
3
V-212 20MHz示波器
1
觀察電源輸出紋波電壓
4
DA-16晶體管毫伏表
1
測(cè)量電源輸出紋波電壓有效值
