??? 摘 要： 在線性負(fù)反饋恒流源" title="恒流源">恒流源基礎(chǔ)上,，設(shè)計了一種新的數(shù)控高精度恒流源,。該恒流源使用新型微處理器對電流源負(fù)載電流" title="負(fù)載電流">負(fù)載電流進(jìn)行采樣,，使用PID算法在數(shù)字域?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬信號，反饋到恒流源調(diào)整器" title="調(diào)整器">調(diào)整器，實現(xiàn)快速數(shù)字閉環(huán)反饋控制,。測試結(jié)果表明，在輸出電流10mA～2010mA范圍內(nèi),，電流紋波≤0.06mA,，輸出電流與設(shè)定電流相對誤差≤1％，電流調(diào)節(jié)最小步進(jìn)值為1mA,。
??? 關(guān)鍵詞： 恒流源? 微處理器? PID算法? A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器? D/A" title="D/A">D/A轉(zhuǎn)換器? 運算放大器
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??? 恒流電源是為電流型負(fù)載提供穩(wěn)定電流的重要儀器,。常見的恒流源電路方案有：脈沖調(diào)寬式、線性負(fù)反饋方式[1-2]等,。脈沖調(diào)寬式（開關(guān)式）恒流源通過改變調(diào)整器的工作脈沖寬度達(dá)到恒流的目的,。目前廣泛應(yīng)用于空間技術(shù),、計算機、通訊,、家電等領(lǐng)域中,。這種恒流源調(diào)整器工作在開關(guān)狀態(tài),、功率損耗小,、效率高達(dá)70%～95%，但紋波電流大,，輻射干擾強,、恒流精度低。線性負(fù)反饋式恒流源通過改變調(diào)整器的工作電壓,，使其輸出電流保持恒定,，具有失真小、穩(wěn)定度高,、紋波小等特點,，但功率損耗大、效率較低,，主要應(yīng)用于高精度場合,。
?? PID控制是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例,、積分,、微分計算出控制量，對系統(tǒng)進(jìn)行控制的一種方法[3],。PID控制問世至今已有近70年歷史,，它以結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好,、工作可靠,、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。比例控制是一種最簡單的控制方式,，其控制器的輸出信號與輸入誤差信號成比例關(guān)系,；積分控制是輸出信號與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系；微分控制的輸出信號與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系,。在本系統(tǒng)中,，使用比例積分（PD）控制。
??? 本文在線性負(fù)反饋式恒流源基礎(chǔ)上,，利用新型微處理器AT89S52[4]對實時負(fù)載電流進(jìn)行采樣,，然后根據(jù)用戶設(shè)定的電流值使用工業(yè)控制上成熟的PID算法進(jìn)行處理，最后根據(jù)算法結(jié)果對恒流源進(jìn)行反饋控制,，從而大大提高了系統(tǒng)的恒流精度和穩(wěn)定度,。同時,，利用微處理器資源，還提供了鍵盤控制和電流數(shù)值顯示等功能,。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
??? 整機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,，由供電電源、數(shù)控部分,、恒流源三大部分構(gòu)成,。供電電源為整個系統(tǒng)提供需要的穩(wěn)定電源；恒流源是系統(tǒng)的核心部分,，它本身是一個獨立的線性負(fù)反饋恒流源,，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的精度；數(shù)控部分是附加在恒流源上的一個獨立系統(tǒng),，它在數(shù)字域控制恒流源,，并響應(yīng)用戶的設(shè)定，顯示電流數(shù)值,。
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1．1 恒流源部分
??? 恒流源部分本身是一個獨立的線性負(fù)反饋恒流源,，如圖2所示。U1（LM350A）為調(diào)整器,，是恒流源的核心部件,。負(fù)載電流經(jīng)采樣電阻R5，產(chǎn)生微弱的采樣電壓,，經(jīng)過超低噪聲運算放大器U2同相放大,。放大的電壓信號送往由U3組成的差分放大器的負(fù)端(同時送往數(shù)控部分進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換)。差分放大器把負(fù)端采樣電壓與正端的數(shù)控部分設(shè)定電壓的差值進(jìn)行放大,，輸出到調(diào)整器的調(diào)整端,，形成閉環(huán)反饋。若有某種情況使負(fù)載電流增加,，則采樣電阻上的電壓增加,，使同相放大器U2輸出電壓變大，差分放大器輸出電壓減小,，調(diào)整器調(diào)整端電壓減小,，調(diào)整器輸出電壓變低，使負(fù)載電流減小,，從而維持了負(fù)載電流的動態(tài)穩(wěn)定,，反之亦然?？梢钥闯?，差分放大器的正端決定了負(fù)載電流的大小。若U3正端電壓升高，則調(diào)整器調(diào)整端電壓升高,，調(diào)整器輸出電壓升高,，負(fù)載電流增加，同相放大器輸出增加,，差分放大器負(fù)端電壓升高,，直到U3正負(fù)端電壓相等，系統(tǒng)再次動態(tài)穩(wěn)定,。
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??? 采樣電阻串聯(lián)在負(fù)載回路內(nèi),，并由此檢測負(fù)載電流變化。因此,，采樣電阻的穩(wěn)定性將直接影響到恒流源的性能,，且采樣電阻還應(yīng)有足夠大的功率，否則也會影響恒流源的性能甚至燒壞,。綜合以上各因素，在實際電路中選用大功率錳銅材料制成的精密電阻,，其溫度系數(shù)達(dá)到(-3～＋20）10-6/℃,。
??? 采樣放大器U2選用超低噪聲運放AD797。因為它處于閉環(huán)反饋的第一級,，所以要盡量減小噪聲的影響,。
差分放大器U3選用高精度運放OP07,提供高精度的比較結(jié)果。
????過熱,、過流,、過壓保護(hù)功能由三端穩(wěn)壓芯片LM350內(nèi)部提供。
??? 為了使電路在未加負(fù)載時仍處于線性工作狀態(tài),，還要有一定預(yù)負(fù)載,。預(yù)負(fù)載電流一般取：
??? IR0=IOMax/(20-50)
??? 預(yù)負(fù)載電阻R4取220Ω,，功率為2W,。
??? D4是為了防止引線較長使線路中出現(xiàn)反向感應(yīng)電壓而損壞電路。加上D4可使反向感應(yīng)電壓經(jīng)過D4構(gòu)成閉合回路,，從而保護(hù)電路,。
1．2 數(shù)控部分
??? 數(shù)控部分主要由微處理器模塊、A/D模塊,、D/A模塊,、鍵盤模塊、顯示模塊,、復(fù)位模塊等組成,。微處理器是整個數(shù)控部分的處理控制中心；A/D模塊完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,；D/A模塊完成數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換,；鍵盤模塊給用戶提供控制接口,；顯示模塊根據(jù)需要顯示相應(yīng)的電流值；復(fù)位模塊為整個數(shù)控部分提供可靠的復(fù)位信號,。
??? 數(shù)控部分主要完成以下幾個任務(wù)：(1)響應(yīng)用戶的按鍵操作,，保存用戶設(shè)定的電流值。(2)控制A/D模塊按照一定的周期將采樣信號（圖2中U2的輸出）數(shù)字化,。(3)在微處理器內(nèi)部按照PID算法根據(jù)用戶設(shè)定值對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。(4)將處理結(jié)果通過D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，輸出到恒流源差分比較器的正端,，完成數(shù)控部分對恒流源部分的控制,。(5)按照用戶的需要顯示相應(yīng)的電流值。
??? 微處理器選用ATMEL公司的AT89S52單片機,。AT89S52是一種低功耗,、高性能CMOS工藝的8位單片機，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的引腳和指令完全兼容,。
??? 為了滿足取樣精度及轉(zhuǎn)換精度,，選取12位的A/D芯片AD574和12位的D/A芯片DAC1230。在輸出2000mA情況下,，控制精度可達(dá)2000mA/212≈0.5mA,。
??? 顯示模塊選用MAX7219，串行接口,，可以直接驅(qū)動8位數(shù)碼管,。
??? 鍵盤模塊直接使用微處理器的通用I/O口。
??? 復(fù)位模塊選用MAX813,，具有上電復(fù)位功能,、低壓復(fù)位功能以及內(nèi)部集成看門狗和比較器。
1．3 供電電源
??? 電源部分使用單輸入三輸出變壓器,，將市電（220V/50Hz）轉(zhuǎn)換為兩路17V和一路9V的交流電源,。分別使用通用的三端穩(wěn)壓芯片LM350A、LM337,、LM7805將三路交流電源整流為系統(tǒng)所需的三種直流電源：+15V(3A),、-15V(1.5A)、+5V(1A),。其中+15V電源為恒流源,、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器,、運算放大器提供正電源,；-15V電源為A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器提供負(fù)電源；+5V電源為數(shù)控部分提供工作電源,。三種電源都設(shè)計了必要的保護(hù)電路,、指示燈及預(yù)負(fù)載電路，以保證其正常,、穩(wěn)定地工作,。
2 軟件設(shè)計
??? 程序分主程序和中斷程序兩大塊。主程序處理用戶的按鍵和顯示,，中斷程序處理A/D轉(zhuǎn)換,、PID算法、D/A轉(zhuǎn)換等任務(wù),。
主程序中,，首先初始化寄存器和外圍芯片，設(shè)置相應(yīng)的變量,。然后反復(fù)地調(diào)用鍵盤掃描模塊和顯示模塊,。
??? 中斷程序包括定時器中斷和外部中斷。利用微處理器的定時器資源,，設(shè)置130ms的定時器,。在定時器中斷程序中，啟動A/D轉(zhuǎn)換模塊,，然后退出中斷程序。
??? 當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成時,，觸發(fā)微處理器的外部中斷,。在外部中斷程序中，讀取最新的采樣數(shù)據(jù),，調(diào)用PID算法,，根據(jù)用戶設(shè)定值進(jìn)行處理，接著調(diào)用D/A模塊,，將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬信號并輸出,，最后退出中斷程序。外部中斷流程圖如圖3所示,。
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??? 這樣設(shè)計的好處是,，可以保證固定的采樣周期，使整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定,。將不需要及時作出響應(yīng)的鍵盤及顯示放在主程序中,，有利于節(jié)省微處理器的資源。
3 性能測試
??? 恒流源使用時,，先加上負(fù)載,，預(yù)熱30分鐘，使系統(tǒng)內(nèi)部溫度達(dá)到平衡狀態(tài)，然后開始測量,。在設(shè)定不同的電流值后,，利用5位半數(shù)字萬用表測量實際的電流值并和數(shù)控部分顯示的電流值進(jìn)行比較，利用示波器檢測電流的波動,，并給出紋波和絕對誤差,，如表1所示。
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??? 在改變輸入電源電壓的情況下,，測量電流值如表2所示,。
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??? 在改變負(fù)載的情況下，測量電流值,，如表3所示,。
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??? 在傳統(tǒng)的線性負(fù)反饋恒流源的基礎(chǔ)上，增加微處理器控制,，通過測量負(fù)載電流,，與設(shè)定值比較，使用PID算法,，根據(jù)算法結(jié)果調(diào)整電流值,，大大提高了恒流源的性能。利用此原理,，用戶按照自己的需要,，增加相應(yīng)的功能，很容易做出各種實用的高精度電流源,。
參考文獻(xiàn)
[1]?曲學(xué)基,，王增福，曲敬鎧．穩(wěn)定電源基本原理與工藝設(shè)計． 北京：電子工業(yè)出版社,，2004．
[2]?何希才,，姜余祥．新型穩(wěn)壓電源及其應(yīng)用．北京：國防工業(yè)出版社，2002．
[3]?陶永華,，尹怡欣,，葛蘆生．新型PID控制及其應(yīng)用：第2版．北京：機械工業(yè)出版社，2003．
[4]?李玉峰,，倪虹霞．MCS-51系列單片機原理與接口技術(shù)．北京：人民郵電出版社,，2004．