采用LPC938的高精度数控直流电流源的方案设计

总体方案选择与设计

方案论证与比较

① 主电路及调整方式的选择

方案一 开关稳压调整

    开关稳压调整方式效率高，普遍应用于计算机等现代数字仪器中，但一般纹波较大，难以控制，很有可能造成设计的失败和威廉希尔官方网站 参数的超标。

方案二 串联反馈调整

    该方案采用负反馈网络，从输出电压取样与基准电压比较，并将误差经放大器放大后反馈至调整管，使输出电压在电网电压变动的情况下仍能保持稳定。该电路输出电压稳定性好，负载调整率高，引入的负反馈使纹波电压大大减小，且电路简单、容易调试。但其属于线性稳压源，即调整管工作在放大区，因而功耗比较大。

方案三 综合以上两种方案

    结合开关稳压调整与串联反馈调整的优点，在串联反馈调整的基础上增加一级预稳压，构成智能恒压差系统，在保证调节范围的基础上减少功耗。

② 控制方案的论证比较

方案一 计数式数字电路控制

    此方案使用计数器来来控制输出电流的步进，是一种采用小规模数字电路的控制方法。其优点是不需要软件支持，但元件多、硬件电路复杂、控制呆板、步进难以改变，且精度不高，难以达到设计要求。

方案二 CPLD控制

    采用大规模数字逻辑电路CPLD，能够实现高精度控制，功耗也不大，但其成本高、设计复杂。

方案三 单片机控制

    单片机控制系统具有成本低、控制灵活的特点，通过软件的编制能够实现多种控制算法，且控制精度高、功耗低；特别是现代的增强型单片机，具有D/A、A/D、PWM、ICP等多种功能，能够单片完成较复杂的控制要求，所以选择单片机控制方式。

总体方案设计

    综上所述，我们设计了响应速度快的interwetten与威廉的赔率体系 内环和调节精度高的数字外环双闭环调节系统。此系统通过面板按键对电流值进行预置，单片机输出相应的数字信号，经过PWM控制、信号放大、电平转换，通过串联式稳压调整管输出电流信号。实际输出的电流再利用精密电阻采样变成电压信号，经过高输入阻抗、高精度放大器、A/D转换器，将信号反馈到单片机中。单片机将输出反馈信号再与预置值比较，送出调整信号，再输出新的电流。这样就形成了模拟内环和数字外环的双闭环调节，提高了输出电流的范围、精度、电压调整率和负载调整率，降低了功耗和纹波，并且电路简单、步进可调、可扩展能力强（见图1）。

图1 总体设计方案

理论分析、电路设计与参数计算

    电流源的硬件部分主要由单片机系统及A/D接口电路、PWM智能控制恒压差及串联调整模块、键盘与显示电路、控制电源模块等组成。下面将分别对各部分进行分析并给出实现方案。

1 单片机系统及A/D接口模块

    单片机选P89LPC938，它是基于80C51内核的高速、低功耗的带片内8Kb F1ash的8位单片机，其指令执行时间只需2～4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。P89LPC938内部主要集成了字节方式的I2C总线、SPI接口、UART通信接口、实时时钟、EEPROM、PWM、ICP、A/D转换等一系列有特色的功能部件。

    本设计需要三路A/D采样，其中对电流的采样要有很高的精度，考虑到控制精度要求，我们用16位的ADS1100芯片（含PGA放大器）对输出电流进行采样，用938单片机的10位A/D转换器对另外两路信号进行采样（P0.1，P0.2）。

    由于P89LPC938和ADS1110内部均带有I2C总线，所以它们的连接很简单。P89LPC938的P2.2，P2.3，P2.4，P2.5脚用于键盘显示功能，P2.6，P1.6用于PWM的输出。

2 PWM智能控制恒压差及串联调整模块

    此部分是整个硬件设计的核心，它直接关系到输出电流的范围、精度、纹波与电路的功耗。经过反复调试，我们设计的系统结构如下（见图2）。

图2 系统总体框图

① 开关电源预调整部分

    如图2所示，由于输出电压不能超过10V，为了提高效率，减少纹波，先通过降压变压器及整流桥将220V的交流电整成约18V的直流电，通过开关管Q1、Q2，续流二级管D5，储能电感L1、L2和滤波电容C1、C2，构成预稳压开关电源。单片机通过自带的两路A/D对串联调整部分中达林顿管集电级和发射级的电压进行采样（AD0，AD1），通过它们的差值来调整PWM1的占空比，稳定开关电源的输出，从而构成智能恒压差控制系统。这样，既可保证串联调整电路所需的电压差，又降低了串联调整电路输出的损耗，提高了恒流模块的整体效率。在整个模块输入电压发生较大变化时也能进行高精度稳流，由于开关频率远高于工频，纹波也会因此大大降低。

    对于Q1、Q2，已知β=30，最大电流为2A，Ui=18V，有：

I=2/β=0.067A             (1)

R1=(Ui－0.7－0.3)/IR1=254Ω (2)

    取R1为270Ω，938管脚输出的最大电压为3V，通过R2的电流为：

IR2=IR1/β=0.067/30=0.0022A (3)

R2=（3－0.7）/IR2=1K      (4)

    由于本设计对纹波的要求比较高，所以稳流电感L1、L2和滤波电容C1、C2的选取值至关重要。设电感L1的输入电压Vi，电感L2的输出电压Vo，则占空比为：

D=Vo/Vi=0.722             (5)

    设工作频率fS=10kHz,则TS=0.0001S,负载R取5Ω，纹波电压为输入电压的0.5%，即ΔVo/Vo=0.5%，则：
L1=L2=(1-D)RTS/2=69.5μH   (6)
C1=C2=VoDTS2/8LΔVo=2500μF  (7)

② 串联调整部分

    这部分将单片机输出的PWM方波通过多级RC滤波，形成平稳的基准电压，作为模拟内环的给定值，电流输出范围20～2000mA,步长最小1mA，共有1880个数值。938的捕获/比较单元内部是16位的定时器，输出至PWM2的占空比有65536种状态，满足要求。

    由于938单片机的A/D采样电压不能超过3V，而调整管的发射级输出电压最大为10V，集电级电压稳至13V，均超采样的最大值，所以要进行分压。R3、R4、R5、R6为分压电阻，R4、R6可调，取R3=3.3KΩ，R4=1kΩ，R3=2.2kΩ，R3=1KΩ，可满足要求。

    R8为采样电阻（采用电流表中的标准分流电阻，稳定性好，精度高），其值取为0.1Ω，它将输出电流以电压的方式输入到放大器A2的同相端。其中，R12为保护电阻，其上的电流可以忽略不计。放大器的输出经ADS1110高精度A/D转换器反馈到单片机，与给定进行比较，构成外部数字闭环控制。设A2的输入电压为U1，输出电压为U2，根据电流相等有：

    (U2－U1)/R13=U1/(R14+R15)  (8)

    可得放大倍数为：

    U2/U1=R13/(R14+R15)+1   (9)

    U1最大为0.1Ω×2A=0.2V，U2最大为3V，所以放大器A2的放大倍数设置为15较为合理。据此可取R13为10kΩ，R14为0.5kΩ，可变电阻R15取为1kΩ，其放大倍数范围为6.7〜20，满足要求。

    内环模拟调节由调整管Q3、Q4、差动放大器A1（输入阻抗高，具有较高的共模抑制比）及辅助元件构成，采样电压通过放大器A2输入到差动放大器的反向端，PWM2输出电压滤波后到差动放大器的同向端，当输出电流低于设定值时，差动放大器输出为正，调整管导通，输出电流增大，直到与设定值相等。

    D7、D8、D9、Q5组成过流保护电路，若输出电流由于干扰偏离给定值太大时，差动放大器输出电压便很大。当其超过 0020一定值时，Q5便导通，切断调整管的基极电流，关闭输出，起到了过流保护的作用。

3 键盘及显示模块

    键盘与显示模块的工作原理如下：单片机通过DIN端口，将需要显示数据的端码和位码信息在SCLK脉冲的控制下分别移入到两片74HC164和595中，段码在164中，位码在595中，之后通过RCLK脉冲送出位码信息完成数据显示。ReadKey端口是键盘检测口。在该部分的软件先取数据输出显示，显示后紧接着查询ReadKey端口（对应位码）是否为低电平，如果为低电平则记录送出的位码信息。之后，进行第二次循环，显示数据并查询ReadKey端口，当ReadKey端口为高电平或是在ReadKey端口为低电平时记录的位码信息与上次不相同时放弃键处理；当两次读ReadKey端口为低电平记录下的位码信息相同时进行相应的键处理操作。

图3 主程序流程图

主程序设计

    在系统加电后，主程序首先完成系统初始化，包括ADS1110、I2C口、SPI口、中断、定时/计数器、CCU中与PWM输出相关的寄存器等工作状态的设定，给系统变量赋初值，显示上次预置值等；然后扫描获取键值，执行相应的功能子程序。当启动键按下后，根据预置值、步长等参数计算对应输出的数字量，再进行闭环反馈调整。

测试数据与结果分析

1测试器材

    DF1930数字毫伏表、Thurlby1905a型数字表（四位半电压表）、100M双踪数字存储示波器TDS2012、直流稳压电源LPS-305（0〜30V/3A）、六位半数字多用表HP34401A、电阻箱（0.5〜5Ω、5〜50Ω、50〜500Ω）。

测试方法、数据与结果分析

    设定输出电流2000mA，负载电阻由0.5〜5Ω变化时，电流源负载特性数据及纹波计算如表1。
由表1可知，最大偏差ΔImax=2.8mA,纹波电流的平均值为0.129mA，最大值为0.191mA，满足高精度、低纹波的要求。
　　

    本设计的创新之处是综合考虑了精度、纹波、功耗、复杂度等方面的要求，较好的完成了一个高精度数控直流电流源的设计制作与调试，达到了较高的威廉希尔官方网站 指标。但是，看似简单的电源，也有很多值得仔细研究的地方，比如电路的稳定性（如何克服闭环振荡，包括寄生振荡），精度的提高，纹波的减少，动态响应的品质及造成测量误差的诸方面，这些都值得我们更进一步地研究与学习。