原创 数控直流恒流源

本系统是以凌阳SPCE061A单片机为核心控制器，具有电流可预置、可步进调整、输出的电流信号和预置的电流信号可同时显示的数控直流电流源。系统主要包括：凌阳SPCE061A精简开发板、键盘与显示电路、压控恒流源电路、校正电路、电源电路等。系统中通过键盘按键对电流值进行预置，凌阳SPCE061A单片机送出相应的数字信号，经过D/A转换、信号放大、电平转换、压控恒流源，再输出所需电流；实际输出的电流经过精密电阻变成取样电压信号，经高输入阻抗放大器、A/D转换器，将信号反馈到凌阳SPCE061A单片机中构成闭环控制；通过液晶显示器显示此信号的值。
关键字：SPCE061A  

一、方案论证
　　根据题目要求，本系统主要是控制核心的选择，所以只进行控制核心的选择论证。
　　方案一：采用目前比较通用的51系列单片机。此单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大。虽然该系统采用单片机为核心，能够实现对外围电路的智能控制，但核心控制部件使用89C51时，为达到设计精度的要求，外围电路必须加上12位的A/D和D/A，这就使得整个系统硬件电路变得复杂，而且12位的A/D和D/A器件价格较高,使得系统的性价比偏低。如图1.1。

图1.1   采用89C51实现系统框图

　　方案二：采用凌阳16位SPCE061A单片机。此单片机功能较强、兼容性好、性价比高；具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗小以及具有较高的数据处理和运算能力，系统最高时钟频率可达49MHz，运行速度快；而且由于凌阳SPCE061A单片机内部集成了A/D、D/A转换器，不需外加A/D、D/A器件。通过采样取样，结合内部A/D、D/A，构成闭环反馈调整控制。此种方案既能实现智能化的特点，简化硬件电路，提高测量精度，同时也能利用软件对测量误差进行补偿，这给调试、维护和功能的扩展、性能的提高，带来了极大的方便。
　　鉴于上面考虑，我们采用方案二。

二、详细软硬件设计
　　根据题目要求和论证结果，本系统的系统框图如图2.1，

 
图2.1   系统框图

　　系统工作原理为：当有键盘按键对电流值进行预置时，SPCE061A单片机把所预置的数值送到液晶显示器显示，同时作为电流源的给定值，并输出相应的数字信号，通过D/A转换，使数字信号变成模拟电流信号，此电流信号经I/V模块转换成相应的电压信号，此电压信号经过压控恒流元件场效应管IRF640来产生相应的电流值，场效应管的漏极电流即为恒流源的实际输出电流。场效应管的漏极电流近似于源极电流，源极电流经过采样电阻后转化为电压信号，凌阳SPCE061A单片机采集此信号,作出相应的调整处理后输出显示，作为电流源的自测表的输出值。系统的硬件连接图如图2.2。

 
图2.2   系统硬件连接图

1、硬件设计
　　如图2.1，本系统硬件电路主要包括：凌阳SPCE061A单片机最小系统、键盘与显示电路、I-V模块、压控恒流源电路、电源电路等。下面分别说明各个电路模块。

（1）数模、模数转换器设计
　　根据系统要求计算，D/A最少必须达到11位。凌阳单片机SPCE061A内部集成有两个10位D/A和七路10位A/D可供使用。10位D/A的精度是1/1024，而题目要求输出电流2A的时候步进值为1mA,即精度至少为1/2000。考虑到SPCE061A有两个内部集成的10位电流型输出D/A，若把两个10位D/A并联使用，步进时交替加1或减1，则精度可达到1/2048，即相当于一个11位D/A的精度，完全满足要求，又节约了外部硬件资源，可大大提高整个系统的性价比。

（2）压控恒流源电路设计
　　压控恒流源是系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高，所以选好压控恒流源电路显得特别重要。
　　采用如下电路：
　　电路原理图如图2.3所示。该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电阻R2、负载电阻RL等组成。

图2.3   压控恒流源原理图

　　电路中调整管采用大功率场效应管IRF640。采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流最大达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。因为当场效应管工作于饱和区时，漏电流Id近似为电压Ugs控制的电流。即当Ud为常数时，满足：Id=f（Ugs），只要Ugs不变，Id就不变。
　　在此电路中，R2为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小），阻值为0.35欧。运放采用OP-07作为电压跟随器，UI=Up=Un，场效应管Id=Is(栅极电流相对很小，可忽略不计) 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因为Io=UI/R2，电路输入电压UI控制电流Io，即Io不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。
　　同时，由设计要求可知：由于输出电压变化的范围U〈=10V，Iomax=2A,可以得出负载电阻RLmax=5欧。

（3）键盘显示电路设计
　　键盘采用普通的4×4矩阵式键盘，共有16个按键。
　　本系统采用凌阳128×64点阵式SPLC501液晶显示模块。这种显示方式非常直观，用户可以从显示器上看到很友好的界面，而且点阵式LCD的显示内容非常灵活，用户可以同时从显示器上看到汉字提示和两个电流值：其一为预先设定的电流值，即期望值；其二为输出电流的实测值。正常工作时两者相差很小。一旦出现偏差较大的状况，在一定范围内系统能自动调整，使误差满足精度要求。由于SPLC501液晶模组的资料在凌阳大学网站可以下载到，这里不再赘述。

（4）电源电路设计
　　本系统对电源有较高的要求。设计电源时既要保证电源的高稳定度，也要保证电源能输出大于2A的电流，故本系统采用三级管1264来扩流。而且在使用电源时必须充分考虑电源的效率。电源电路如图2.4所示，此电源电路采用了LM317和LM337，其输出电压是连续可调的，输出电压调到为＋15V和－15V来供给硬件电路使用，其中－15V的电源是供运放使用的，不需要扩流；而＋15V的电源的负载电流要求不低于2A，所以采用三级管1264来扩流。另外用LM7805产生＋5V的电压供凌阳SPCE061A单片机使用。

 
图2.4   电源原理图

2、软件设计
　　首先初始化系统，即凌阳SPCE061A单片机系统的初始化，液晶显示器显示欢迎界面"数控恒流源 HuaQiao University"，D/A 、A/D模块的初始化；系统默认设定值为1000mA；然后凌阳SPCE061A单片机便不停地进行键盘扫描，根据扫描得到的键值进行相应地操作，见图2.5主程序流程图。

 
图2.5   主程序流程图

三、测试说明
1、测试仪器
　　采用台湾固伟电子负载和4位半数字万用表进行测试。

2、测试方法
　　将各个模块连接，然后进行预设电流值和实际输出电流值对比测试，记录两者之间的偏差，并进行软件修正。

3、误差测量（单位：mA）
（1） 负载为1欧姆
　　测量数据如表3.1。

表3.1  负载为1欧姆时的测量数据

预设电流值	实际输出电流值	绝对误差	相对误差 %
0	0.0001	0.0001	0
234.0	230.256	3.744	0.41
546.0	541.667	4.333	0.12
702.0	702.333	0.333	0.24
858.0	862.778	4.7788	0.44
1287.0	1295.888	8.888	0.61
1677.0	1675.667	1.333	0.11
1996.8	1995.333	1.467	0.04

（2） 负载为5欧姆 
　　测量数据如表3.2。

表3.2  负载为5欧姆时的测量数据

预设电流值	实际输出电流值	绝对误差	相对误差 %
0	0.0001	0.0001	0
234.0	232.256	1.744	0.43
546.0	540.667	0.667	0.11
702.0	700.333	1.667	0.24
858.0	861.778	3.778	0.41
1287.0	1294.888	7.888	0.61
1677.0	1674.667	2.333	0.14
1996.8	1997.667	0.867	0.04

（3） 负载为10欧姆
　　测量数据如表3.3。

表3.3   负载为10欧姆时的测量数据

预设电流值	实际输出电流值	标准误差	相对误差 %
0	0.0001	0.0001	0
234.0	231.256	2.744	0.43
546.0	545.667	0.333	0.12
702.0	701.333	0.667	0.21
858.0	861.778	6.13	0.44
1287.0	1294.888	7.88	0.61
1677.0	1676.667	0.333	0.11
1996.8	1997.333	0.533	0.04

3、目标值测量
　　测试数据表如表3.4和表3.5，其中为表3.4基本要求部分测试，表3.5为发挥部分测试。
　　测试记录中的I和V分别为流过负载电阻RL的实测电流值和RL两端电压值。如图3.1。

 
图3.1   压控恒流源测试

表3.4  基本要求部分测试数据

设计要求	测试项目与指标	测试记录
1 、输出电流范围： 200mA ～ 2000mA	给定值 =200 mA	I=200.1 mA ( 当 I="200mA" 时给定值 = 199 mA)
	给定值 =2000 mA	I=1998.7mA ( 当 I="2000" mA 时给定值 =2001 mA)
2 、可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的 1 ％ +10 mA	给定值 =200 mA	I=201.5 mA
	给定值 =2000 mA	I=1998.8mA
3 、具有“ + ”、“ - ”步进调整功能，步进≤ 10mA	1000mA 时，“ + ” 步进	Δ I="1mA"
	1000mA 时，“ - ” 步进	Δ I="1mA"
4 、改变负载电阻，输出电压在 10V 以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的 1 ％ +10 mA	给定值 =2000mA V="2V"	I= 1998.9mA
	给定值 =2000 mA V="10V"	I=1998.3 mA
5 、纹波电流≤ 2mA	给定值 =2000 mA V="10V"	Δ I="0".2mA Δ V="1".1mV
6 、自制电源	电源输入为 220V ， 50Hz	输出电压值 : 双电源 10 到 16V 、＋ 5V

表3.5  发挥部分测试数据

设计要求	测试项目与指标	测试记录
1 、输出电流范围： 20mA ～ 2000mA	给定值 =20mA	I=20.3mA ( 当 I="20" mA 时给定值 =19mA)
	给定值 =2000mA	I=1998.9mA ( 当 I="2000" mA 时给定值 =2002 mA)
2 、步进 1mA	1000mA 时，“ + ” 步进	Δ I= 1mA
	1000mA 时，“ - ” 步进	Δ I= 1mA
3 、测量误差的绝对值≤测量值的 0.1 ％ +3 mA	给定值 =20 mA	I=20.5mA
	给定值 =2000 mA	I=1998.7mA
4 、改变负载电阻，输出电压在 10V 以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的 0.1 ％ +1 mA	给定值 =2000 mA V="2V"	I= 1999.5mA
	给定值 =2000 mA V="10V"	I=1998.8mA
4 、纹波电流≤ 0.2mA	给定值 =2000 mA V="10V"	Δ I= 0.21 mA

四、结论

　　由于使用凌阳SPCE061A单片机作为中央控制器，本系统有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点。本系统最小可步进1mA ,精度也比较高.输出电流范围较宽.
　　由于本系统对精度的要求较高，硬件部分中采样电阻的热稳定性要较好，本设计方案中采用康铜丝作为采样电阻。硬件中的核心模块为压控恒流源，其核心元件采用场效应管其性能和稳定性均高于三极管。为了进一步达到精度的要求，软件中又加入了闭环自动校正功能。
　　总之，本系统精度高，性能好，性价比高，稳定性好，智能化程度高，达到了设计要求。

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