直流數控電流源的設計與實

直流電流源作為穩定電源的分支，在工程技術和測量領域中有著重要的實用價值，其涉及的應用由穩定電磁場、校正電流表等擴展至激光、超導、現代通信和傳感技術等領域。基于模擬電路的電流源雖然可以實現高精度、寬電流范圍輸出，但其結構復雜, 調整困難，指示不直觀。隨著單片機技術的發展，數字控制電流源開始出現，其以控制靈活、調節方便等特點展示了良好的應用前景。

一般的恒流電流源往往是電流值固定，或是有限數值檔的電流值輸出，不便于通用。數字控制的電流源則通過單片機作為核心控制器，通過鍵盤設置所需的電流值，電流值取值范圍大，使用方便靈活。
本文將介紹數字電流源設計方案，實現基于單片機控制的程控電流源硬件及軟件設計。

數控電流源硬件設計
數字控制電流源可以有多種方案，如基于PWM技術的開關電源、基于模擬器件的模擬反饋壓控，以及基于微控制器的數字反饋數控方案。本設計采用基于微處理控制器的數字控制方案，硬件系統框圖如圖1所示。利用單片機AT89C51將輸入的控制信號進行處理輸出數字量，再把輸出的數字量轉換成模擬電壓量，最后把轉換后的模擬電壓量進行電壓/電流的轉換供給負載。

圖1 硬件電路框圖

1 單片機控制與顯示電路
直流數控電流源原理圖如圖2所示。控制電路由AT89C51、晶振、按鍵等構成，包括單片機時鐘電路、復位電路以及按鍵輸入電路。

該電路的工作原理為：AT89C51單片機通電后復位，P0和P1口均輸出高電平。當按鍵輸入電路給電路輸入控制信號后，通過程序控制經過內部處理，在P0及P1口輸出處理后的信號。P0的信號送至DAC0832的數字輸入端進行數模轉換，P1的輸出信號送至顯示電路進行顯示。

鍵盤作為輸入控制的信號，如圖2所示，總共有8個按鍵，具體功能為：++鍵用于實現步進加，--鍵用作實現步進減，S1～S4用于實現從最低位至最高位設置時的位選，位選后，由+、-鍵調節各位的數值。

顯示電路用于指示輸出電流的數值，電路主要由四個相連的共陽極數碼管和驅動電路組成。AT89C51的P1和P2口連接顯示電路，其中，P1口的8個引腳用來控制數碼管的段碼。用三極管V5～V8組成數碼管四個位的驅動電路，再分別與單片機的P2.4～P2.7相連實現對位的控制。

圖2 直流數控電流源原理圖

2 D/A轉換電路
D/A轉換電路由數模轉換器DAC0832和運放LM324構成。DAC0832芯片是一個8位D/A轉換器，有8個數碼輸入端，1個模擬輸出端，能將控制電路輸出的8位二進制數字量轉換成模擬量的輸出，送給后級的V/I轉換電路。

運放A4輸出電壓為：
（1）
式中，Vref為外接參考電壓，D7～DO為8位輸入數字量。
當輸入數字量在00000000～11111111之間變化時，其對應的輸出模擬電壓U1在0～-Vref之間，電壓分辨率為：△V=5V/(28-1)=19.6mV。

3 V/I轉換電路
V/I轉換電路是整個電流源的關鍵部分，其電路圖2所示，主要由運放LM324和電流擴展電路構成。運放A1構成加法器，有U2=-(U1+U5)。三極管V1、V2、V3、V4構成電流擴展電路，以便有足夠的輸出電流。A2構成電壓跟隨器，有U4=U3。A3是反相器，有U5=-U4，則U5=-U3。

電阻RM上的壓降UM為：UM=U2-U3=-(U1-U3)-U3=-U1，則通過負載RL的電流I為：I=UM/RM=-U1/RM。
可見，輸出電流I僅由電壓U1和電阻RM決定。當U1和RM一定時，I保持恒定。U1是由數模轉換器得到，則該恒流源的電流大小由數字量決定。

軟件編程

圖3 軟件流程圖

軟件流程如圖3所示，程序采用C語言編寫。用仿真機進行功能調試，實現全部功能，然后把程序寫入AT89C51芯片，固化成功后，便可進行獨立運行。
主程序部分代碼。
　void main()
　 {unsigned char Debugging=0;
  unsigned char Sampling=0;
 while (1)
 { Sampling =P2|0xf0;      //采樣鍵盤信號
 if (Sampling!=0xff)     //如果有鍵盤按下執行下列程序
┇  //處理鍵盤程序
┇  //顯示程序
┇  //電流輸出程序
}}

實驗結果
測試結果表明（見表1），負載RL阻值在0～5Ω變化時，最大絕對誤差△I=|測試電流值-輸出電流值|=10mA；相對誤差為=絕對誤差/顯示電流值=1％；

另一測試結果表明（見表2），最大紋波系數=紋波電流值/設定輸出電流值=1.5%；

表3所示為部分設定輸出值與實際測試值的數據對照。設定輸出值和測試值的比較曲線如圖4所示，從圖中可得，步進誤差較小，其設定輸出在0～1000mA時，實際測試值為0～990mA，最大絕對誤差△I=10mA，最大相對誤差為1％。

圖4 設定輸出值和測試值的比較曲線

若電流精度不夠(設定輸出值與實際測試值存在較大誤差)時，可采用12位的D/A，并增加模數轉換采樣電路，將輸出值反饋回單片機，并由單片機程序實現校正。此外，電路中RM可以選用精密電阻以減少誤差。

結語
本文詳細介紹了一種基于單片機控制的直流數控電流源。該電源由單片機接收鍵盤的輸入數據，將設定的電流值通過D/A轉換器轉換為控制電壓，再轉換為電流輸出，同時將設定電流在數碼管上顯示。整個數控電流源具有很高的性價比，穩態精度高，控制部分電路簡明，結構緊湊，工作穩定可靠，應用前景廣闊。