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1、第三篇嵌入式硬件与 F P G A1 1 1基于单片机的数控恒流源设计张军丁杰雄电子科技大学机械电子工程学院， 成都， 6 1 0 0 5 4摘要本文介绍Y一种采用运放和达林顿管构成的数控恒流源电路。该系统采用At m e l 公司高性能、 低功耗的 8 位单片机 A T me g a l 6作为控制核心， 详细分析了恒流源电路、 单片机撞制电路和 A / D及 D / A采样 控制电路。由于对采样电胆队值进行了软件校正和电源滤波处理， 恒流源的愉出电流精度得到了极大的提高关 钮 词恒 流 源 ， At m e g a l 6 ， 反 债 控 制 ， 未 样 电 阻1引言恒流源是一种能向负载提
2、供恒定电流的电路.它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点， 又可以作为其有源负载以提高放大倍数高精度的恒流源在电镀和电化学反应领域、 航空航天和集成电路生产过程， 以及精密直流侧量系统中得到了广泛的应用本设计采用由集成运放和达林顿管构成的恒流源电路， A T me g a l 6作为系统控制核心， 通过设定D / A的 输出电压来控制恒流源的输出电流， 并通过 A/ D采样实现反馈控制以提高输出电流的精度。该系统实现了 2 0 V / 2 A的恒定电流输出2 结构框图和工作原理恒流源系统由电源变换及分配电路、 单片机主控电路、 恒流源发生电路、 A / D及D/ A采样变换电路以及
3、键盘输人和显示电路等组成， 如图 1 所示。圈1 系统结构框图恒流源交流输人电压为2 2 0 V/ 5 0 Hz 的市电， 经 1 0 0 VA的变压器隔离输出6 . 3 V, 1 2 V和3 6 V的工频 交流电压， 再经过全桥整流、 滤波和稳压后分别输出+5 V, +1 2 V和+3 6 V的直流电压， 为单片机及其外围 电路、 运放和恒流源电路供电。系统的工作原理如下: 在通过键盘设定好需要输出的电流后， A T-g . 1 6 单片机对设定值按照一定的算法 进行处理， 然后控制 D / A的输出电压使恒流源电路输出相应的电流值。单片机通过采样恒流源电路上串接的 采样电阻的电压， 计算出
4、此时恒流源电路的输出电流值并与设定值进行比较， 来改变D/ A的输出从而实现对 恒流源愉出电流的闭环调节， 使输出电流能实时跟随设定值。采用具有反馈控制的闭环控制系统， 提高了反应 速度和精度， 能够使误差保持在极低的水平1 1 2中 国 西部 嵌 入 式 系 统 与 单 片机 技 米 论 坛 2 0 0 5学 术年 会论 文 集33 . 1 恒流源电路恒流源电路如图2所示。恒流源电路由集成运放和达林顿管构成， 风 为负载, R, 为采样电阻。图2中运放工作在深度 负反馈状态， 运放的同相输人端电压来源于D / A 的输出， 反向输人端与采样电阻R 相连。由于负 反馈的作用， D / A的电压
5、直接决定了采样电阻凡 上 通 过 的 电 流 Is = 令 因 达 林 顿 管 共 发 射 极 放 大系数p非常大， 故石-1 R .这样， 恒流源的输出 电流直接取决于 D / A的输出电压和采样电阻 凡的 比值当输出电流达到一定程度时, R 必然会发热 引起自身阻值的变化。这是影响恒流源输出电流 值精度的一个关键因素。为此， 在设计中采用了 温度系数比较小的康铜材料制作的阻值为 2 . 0n的 电 阻 。硬件电路图2 恒流源电路图 2中恒流源电路选用单电源供电的运放 L M3 5 8和大功率NP N达林顿管T I P 1 2 7 3 . 2 单片机主控电路数控恒流源系统采用 A T me
6、g a l 6 单片机作为系统控制核心。A T -g . 1 6是 A t me l 公司推出的基于 R I S C 架构高性能、 低功耗的AV R系列单片机中的一种。由于采用了R I S C和快速寄存器文件结构 A VR单片机成 功解决了传统因累加器和寄存器造成的瓶颈效应， 提高了处理能力A T-g . 1 6 单片机是 A VR单片机中具有很高性价比的型号之一AT -g . 1 6片上集成了1 6 K B的F l a s h 指令存储器和1 KB的 S R AM存储器， 并具有5 1 2 B的 E E P R OM. A T me g a l 6 还集成了S P I , I I C和 U
7、S A R T等 片上外设， 其内部集成的硬件乘法器能在两个时钟周期内完成一次1 6 X 1 6 的乘法。A T m e g a l 6 在1 6 MH z 时 钟下工作时， 具有1 6 MI P S 的高速处理能力， 因而非常适合高速控制的场合。A Tm e g a l 6主要完成键盘输入、 L C D显示控制， 以及 A / D和D / A数据转换处理等工作 3 . 3 A / D和D / A转换电路A / D和D / A转换电路如图3 所示图3 A / D和D / A转换电路A / D转换电路测量采样电阻凡 上的电压以计算恒流源的输出电流。A / D转换电路采用了L i n e a r
8、公司开 关电容式、 逐次逼近1 6位 A / D转换器1 , T C 1 8 6 4 , L T C 1 8 6 4采用单+5 V电源供电， 具有2 5 0 k s p s的采样能 力。L T C 1 8 6 4采用与S P I / Mic r o wir e 兼容的三线串行接口同单片机进行通信。第 三 篇嵌 入 式 硬 件 与 F P G A1 1 3D / A转换电路按照设定的电流值输出相应的电压， 以驱动恒流源电路产生恒定电流。D / A转换电路采用 L i n e a r 公司轨到轨电压型愉出的 1 6 位D / A转换器 L TC 1 6 5 5 . L T C 1 6 5 5 采用
9、单+5 V供电， 具有最高7 5 0 k Hz 的转换能力.L T C 1 6 5 5 采用与S P I / Mi c r o w i r e 兼容的三线串行接口同单片机进行通信.4 软件设计系统主程序流程如图4 所示。图 4主 程 序 流 程系统通过比较D / A输出和 A / D的采样输人来更新 D / A的输出值， 使输出电流稳定在较低的误差水平 由于A/ D和D / A的分辨率均已达到1 6 位， 程序设定当设定电流与输出电流差值在1 ra A时， 认为恒流源输出电流己达到设定值并保持稳定。5 系统测试和误差分析在负载为1 f b 和1 0 a的情况下， 设定电流从 1 0 -A到 2
10、 A变化时， 实测的电流值如表 1 和表 2 所列.表1测试数据表( & 二1 0)电 流 设 定 八n AI5010 02 0 03 0 04 005 006 0 07 0 0实际测量 / . A1 2511 0 12 0 13 0 14 025 0 16 0 27 0 2电流设定 / m A8 0 09 0010 001 20 01 4 0 01 6 0 0一1 8 0 019 502 0 0 0 实 际 测 11 / m A一8 0 29 031 0051 20 81 4 1 01 6121 8 1 619 682 0 2 1表 2 测试数据表 RI二1 0 S 2 )电流设定 / .
11、A1 05 01 0 02 0 03 0 04 0 05006 0 07 0 0实际测 f/ mA1 1511 0 22 0 23 0 1吐 025 026 0 37 0 3电流设 定/ m A8 0 09 001 0 0 01 2001 4 0 016 001 8 0 019 50实 际 测 鱼/ . A8 0 210 041 2061 4 1 11 6 1 31 8 1 51 9 6 72 0 2 0n4中国西部嵌入式系统与单片机技术论坛2 0 0 5学术年会论文集. . . 口. . . . 日 . . . . . . . . . . . .曰 曰. . . . . . 日 . . .
12、. . 曰. . . 日. . . . .日 . . . . . .日. . . 口. . .曰. .测试数据表明， 系统在不同负载时其输出电流具有较高的线形度， 但误差较大。由于采用的 A / D, D / A的 分辨率均已达到1 6位， 采样值已极接近实际电压。初步考虑误差的主要来源应该在于采样电阻。在实测了采 样电阻两端的电压和实测电流后， 发现其比值略大于 2 . 0 6 1 ， 对表1和表2的数据利用最小二乘法进行拟合 后， 得出采样电阻的校正值为2 . 0 4 8 d b校 正 后 重 新 测 量 的 数 据 如 表 3 和 表 4所 列表 3测 试 数 据 表 (R, = 1 6
13、 2 1电流设 定/ mA1 05 01 002 0 03 0 04 0 05 006 0 07 0 0实 际测量 / .A1 15 01 0 02 0 13 004 0 05 0 16 0 0700电流 设 定/ 口八80 09 0 01 0 0 01 2 0 014 001 6 0 01 8 0 01 9 5 02 0 0 0实 际测 量/ .A8 0 19 001 0 0 01 2 1 91 4 0 11 6 0 01 8 0 11 9 5 02 0 0 0表 a测 试 数 据 表 凡 二 场 n电流设 定/ .A1 05 01 0 02 0 03 004 0 05 0 06 0 07
14、0 0实 际侧量 / . A1 05 010 02 0 13 0 14 0 05 006 0 17 0 0电 流 设定/ m A8 0 09 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 018 001 9 5 02 0 0 0实 际测量 / . A8 0 19 0 01 0 0 11 2 0 01 4 0 01 6 0 21 8 011 9 5 02 0 2 06 结束语( 1 )由康铜丝绕制的电阻具有温度系数小等优点， 在作为采样电阻时， 其阻值是影响系统精度的一个重要 因素， 因此必须在程序中进行校准( 2 )高分辨率的A/ D和D / A是确保系统精度的另一个重要因素。在
15、实际电路中 将模拟地和数字地进行 隔离是减少干扰的一项重要措施。( 3 )为了减小纹波电流， 恒流源电源端必须经过低通滤彼。在负载两端并联一个电容也会很好地减小纹波 电 流 .参 考 文 献I 钱如竹. 用运算放大器构成恒流源研究. 淮阴师范学院学报， 2 0 0 2 , 1 ( 3 ) 2 何燕飞. 恒流源综述. 益阳师专学报. 2 0 0 2 , 9 ( 6 ) 3 基于单片机控制的恒流源设计， 电子测量与仪器学报， 2 0 0 0 , 1 4 ( 4 ) 4 陈凯良. 恒流源及其应用电路.杭州， 浙江科学技术出版社， 1 9 9 2 5 丁化成. A VR单片机应用设计.北京: 北京航夭
16、航空大学出版社， 2 0 0 2 6 黄智伟. 基于 Mu l t i s i m 2 0 0 1电子电路仿真设计与分析.北京:电子工业出版社， 2 0 0 4 7 h t t p , / / ww w. li n e a r . c o m . c nA b s t r a ct T h i s p a p e r in t r o d u c e s a d i g i ta l c o n s t a n t 一c u r r e n t s o u r c e c o n s i s t e d o f o p e r a t io n a l a m p li f ie r a n d D a r li n g t o n t u b e . Th e s y s t e m a d o p t s t h e h ig h c a p a b il it y l o w p o we r c o n s u
