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總體方案選擇與設計
方案論證與比較
① 主電路及調整方式的選擇
方案一 開關穩(wěn)壓調整
??? 開關穩(wěn)壓調整方式效率高，普遍應用于計算機等現(xiàn)代數(shù)字儀器中，但一般紋波較大，難以控制，很有可能造成設計的失敗和技術參數(shù)的超標。
方案二 串聯(lián)反饋調整
??? 該方案采用負反饋網(wǎng)絡，從輸出電壓取樣與基準電壓比較，并將誤差經(jīng)放大器放大后反饋至調整管，使輸出電壓在電網(wǎng)電壓變動的情況下仍能保持穩(wěn)定。該電路輸出電壓穩(wěn)定性好，負載調整率高，引入的負反饋使紋波電壓大大減小，且電路簡單、容易調試。但其屬于線性穩(wěn)壓源，即調整管工作在放大區(qū)，因而功耗比較大。
方案三 綜合以上兩種方案
??? 結合開關穩(wěn)壓調整與串聯(lián)反饋調整的優(yōu)點，在串聯(lián)反饋調整的基礎上增加一級預穩(wěn)壓，構成智能恒壓差系統(tǒng)，在保證調節(jié)范圍的基礎上減少功耗。
② 控制方案的論證比較
方案一 計數(shù)式數(shù)字電路控制
??? 此方案使用計數(shù)器來來控制輸出電流的步進，是一種采用小規(guī)模數(shù)字電路的控制方法。其優(yōu)點是不需要軟件支持，但元件多、硬件電路復雜、控制呆板、步進難以改變，且精度不高，難以達到設計要求。
方案二 CPLD控制
??? 采用大規(guī)模數(shù)字邏輯電路CPLD，能夠實現(xiàn)高精度控制，功耗也不大，但其成本高、設計復雜。
方案三 單片機控制
??? 單片機控制系統(tǒng)具有成本低、控制靈活的特點，通過軟件的編制能夠實現(xiàn)多種控制算法，且控制精度高、功耗低；特別是現(xiàn)代的增強型單片機，具有D/A、A/D、PWM、ICP等多種功能，能夠單片完成較復雜的控制要求，所以選擇單片機控制方式。
總體方案設計
??? 綜上所述，我們設計了響應速度快的模擬內環(huán)和調節(jié)精度高的數(shù)字外環(huán)雙閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過面板按鍵對電流值進行預置，單片機輸出相應的數(shù)字信號，經(jīng)過PWM控制、信號放大、電平轉換，通過串聯(lián)式穩(wěn)壓調整管輸出電流信號。實際輸出的電流再利用精密電阻采樣變成電壓信號，經(jīng)過高輸入阻抗、高精度放大器、A/D轉換器，將信號反饋到單片機中。單片機將輸出反饋信號再與預置值比較，送出調整信號，再輸出新的電流。這樣就形成了模擬內環(huán)和數(shù)字外環(huán)的雙閉環(huán)調節(jié)，提高了輸出電流的范圍、精度、電壓調整率和負載調整率，降低了功耗和紋波，并且電路簡單、步進可調、可擴展能力強（見圖1）。
圖1 總體設計方案
??? 電流源的硬件部分主要由單片機系統(tǒng)及A/D接口電路、PWM智能控制恒壓差及串聯(lián)調整模塊、鍵盤與顯示電路、控制電源模塊等組成。下面將分別對各部分進行分析并給出實現(xiàn)方案。
1 單片機系統(tǒng)及A/D接口模塊
??? 單片機選P89LPC938，它是基于80C51內核的高速、低功耗的帶片內8Kb F1ash的8位單片機，其指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件。P89LPC938內部主要集成了字節(jié)方式的I2C總線、SPI接口、UART通信接口、實時時鐘、EEPROM、PWM、ICP、A/D轉換等一系列有特色的功能部件。
??? 本設計需要三路A/D采樣，其中對電流的采樣要有很高的精度，考慮到控制精度要求，我們用16位的ADS1100芯片（含PGA放大器）對輸出電流進行采樣，用938單片機的10位A/D轉換器對另外兩路信號進行采樣（P0.1，P0.2）。
??? 由于P89LPC938和ADS1110內部均帶有I2C總線，所以它們的連接很簡單。P89LPC938的P2.2，P2.3，P2.4，P2.5腳用于鍵盤顯示功能，P2.6，P1.6用于PWM的輸出。
2 PWM智能控制恒壓差及串聯(lián)調整模塊
??? 此部分是整個硬件設計的核心，它直接關系到輸出電流的范圍、精度、紋波與電路的功耗。經(jīng)過反復調試，我們設計的系統(tǒng)結構如下（見圖2）。
圖2 系統(tǒng)總體框圖
① 開關電源預調整部分
??? 如圖2所示，由于輸出電壓不能超過10V，為了提高效率，減少紋波，先通過降壓變壓器及整流橋將220V的交流電整成約18V的直流電，通過開關管Q1、Q2，續(xù)流二級管D5，儲能電感L1、L2和濾波電容C1、C2，構成預穩(wěn)壓開關電源。單片機通過自帶的兩路A/D對串聯(lián)調整部分中達林頓管集電級和發(fā)射級的電壓進行采樣（AD0，AD1），通過它們的差值來調整PWM1的占空比，穩(wěn)定開關電源的輸出，從而構成智能恒壓差控制系統(tǒng)。這樣，既可保證串聯(lián)調整電路所需的電壓差，又降低了串聯(lián)調整電路輸出的損耗，提高了恒流模塊的整體效率。在整個模塊輸入電壓發(fā)生較大變化時也能進行高精度穩(wěn)流，由于開關頻率遠高于工頻，紋波也會因此大大降低。
??? 對于Q1、Q2，已知β=30，最大電流為2A，Ui=18V，有：
I=2/β=0.067A???????????? (1)
R1=(Ui－0.7－0.3)/IR1=254Ω (2)
??? 取R1為270Ω，938管腳輸出的最大電壓為3V，通過R2的電流為：
IR2=IR1/β=0.067/30=0.0022A (3)
R2=（3－0.7）/IR2=1K????? (4)
??? 由于本設計對紋波的要求比較高，所以穩(wěn)流電感L1、L2和濾波電容C1、C2的選取值至關重要。設電感L1的輸入電壓Vi，電感L2的輸出電壓Vo，則占空比為：
D=Vo/Vi=0.722???????????? (5)
??? 設工作頻率fS=10kHz,則TS=0.0001S,負載R取5Ω，紋波電壓為輸入電壓的0.5%，即ΔVo/Vo=0.5%，則：
L1=L2=(1-D)RTS/2=69.5μH?? (6)
C1=C2=VoDTS2/8LΔVo=2500μF? (7)
② 串聯(lián)調整部分
??? 這部分將單片機輸出的PWM方波通過多級RC濾波，形成平穩(wěn)的基準電壓，作為模擬內環(huán)的給定值，電流輸出范圍20～2000mA,步長最小1mA，共有1880個數(shù)值。938的捕獲/比較單元內部是16位的定時器，輸出至PWM2的占空比有65536種狀態(tài)，滿足要求。
??? 由于938單片機的A/D采樣電壓不能超過3V，而調整管的發(fā)射級輸出電壓最大為10V，集電級電壓穩(wěn)至13V，均超采樣的最大值，所以要進行分壓。R3、R4、R5、R6為分壓電阻，R4、R6可調，取R3=3.3KΩ，R4=1kΩ，R3=2.2kΩ，R3=1KΩ，可滿足要求。
??? R8為采樣電阻（采用電流表中的標準分流電阻，穩(wěn)定性好，精度高），其值取為0.1Ω，它將輸出電流以電壓的方式輸入到放大器A2的同相端。其中，R12為保護電阻，其上的電流可以忽略不計。放大器的輸出經(jīng)ADS1110高精度A/D轉換器反饋到單片機，與給定進行比較，構成外部數(shù)字閉環(huán)控制。設A2的輸入電壓為U1，輸出電壓為U2，根據(jù)電流相等有：
??? (U2－U1)/R13=U1/(R14+R15)? (8)
??? 可得放大倍數(shù)為：
??? U2/U1=R13/(R14+R15)+1?? (9)
??? U1最大為0.1Ω×2A=0.2V，U2最大為3V，所以放大器A2的放大倍數(shù)設置為15較為合理。據(jù)此可取R13為10kΩ，R14為0.5kΩ，可變電阻R15取為1kΩ，其放大倍數(shù)范圍為6.7?20，滿足要求。
??? 內環(huán)模擬調節(jié)由調整管Q3、Q4、差動放大器A1（輸入阻抗高，具有較高的共模抑制比）及輔助元件構成，采樣電壓通過放大器A2輸入到差動放大器的反向端，PWM2輸出電壓濾波后到差動放大器的同向端，當輸出電流低于設定值時，差動放大器輸出為正，調整管導通，輸出電流增大，直到與設定值相等。
??? D7、D8、D9、Q5組成過流保護電路，若輸出電流由于干擾偏離給定值太大時，差動放大器輸出電壓便很大。當其超過 0020一定值時，Q5便導通，切斷調整管的基極電流，關閉輸出，起到了過流保護的作用。
3 鍵盤及顯示模塊
??? 鍵盤與顯示模塊的工作原理如下：單片機通過DIN端口，將需要顯示數(shù)據(jù)的端碼和位碼信息在SCLK脈沖的控制下分別移入到兩片74HC164和595中，段碼在164中，位碼在595中，之后通過RCLK脈沖送出位碼信息完成數(shù)據(jù)顯示。ReadKey端口是鍵盤檢測口。在該部分的軟件先取數(shù)據(jù)輸出顯示，顯示后緊接著查詢ReadKey端口（對應位碼）是否為低電平，如果為低電平則記錄送出的位碼信息。之后，進行第二次循環(huán)，顯示數(shù)據(jù)并查詢ReadKey端口，當ReadKey端口為高電平或是在ReadKey端口為低電平時記錄的位碼信息與上次不相同時放棄鍵處理；當兩次讀ReadKey端口為低電平記錄下的位碼信息相同時進行相應的鍵處理操作。
圖3 主程序流程圖
主程序設計
??? 在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，包括ADS1110、I2C口、SPI口、中斷、定時/計數(shù)器、CCU中與PWM輸出相關的寄存器等工作狀態(tài)的設定，給系統(tǒng)變量賦初值，顯示上次預置值等；然后掃描獲取鍵值，執(zhí)行相應的功能子程序。當啟動鍵按下后，根據(jù)預置值、步長等參數(shù)計算對應輸出的數(shù)字量，再進行閉環(huán)反饋調整。
測試數(shù)據(jù)與結果分析
1測試器材
??? DF1930數(shù)字毫伏表、Thurlby1905a型數(shù)字表（四位半電壓表）、100M雙蹤數(shù)字存儲示波器TDS2012、直流穩(wěn)壓電源LPS-305（0?30V/3A）、六位半數(shù)字多用表HP34401A、電阻箱（0.5?5Ω、5?50Ω、50?500Ω）。
測試方法、數(shù)據(jù)與結果分析
??? 設定輸出電流2000mA，負載電阻由0.5?5Ω變化時，電流源負載特性數(shù)據(jù)及紋波計算如表1。
由表1可知，最大偏差ΔImax=2.8mA,紋波電流的平均值為0.129mA，最大值為0.191mA，滿足高精度、低紋波的要求。
??? 本設計的創(chuàng)新之處是綜合考慮了精度、紋波、功耗、復雜度等方面的要求，較好的完成了一個高精度數(shù)控直流電流源的設計制作與調試，達到了較高的技術指標。但是，看似簡單的電源，也有很多值得仔細研究的地方，比如電路的穩(wěn)定性（如何克服閉環(huán)振蕩，包括寄生振蕩），精度的提高，紋波的減少，動態(tài)響應的品質及造成測量誤差的諸方面，這些都值得我們更進一步地研究與學習。
工商網(wǎng)監(jiān)
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