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引言

恒流源也稱電流源或穩(wěn)流源。能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源稱作恒流源。理想的恒流源其輸出是絕對不變的，但實際的恒流源只能在一定范圍內(nèi)保持輸出電流的穩(wěn)定性[1-2]。目前，恒流源被廣泛用于傳感技術(shù)、電子測量儀器、現(xiàn)代通信、激光、超導(dǎo)等高新技術(shù)領(lǐng)域、并且有良好的發(fā)展前景。

2系統(tǒng)組成和工作原理

2.1系統(tǒng)的組成

本數(shù)控恒流源系統(tǒng)可分為單片機(jī)控制部分、變壓整流和供電部分、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、恒流源電路、鍵盤或顯示器接口電路等幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用AT89C55單片機(jī)為核心，控制、比較調(diào)整單元基準(zhǔn)的變化，實現(xiàn)高精密電壓控制。交流電壓經(jīng)變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓后通過78,79系列穩(wěn)壓管輸出提供電路所需電壓，CpU根據(jù)預(yù)置開關(guān)設(shè)定的數(shù)據(jù)或鍵盤輸入的數(shù)據(jù)，計算出相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓值，送給DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬電壓，再送主控電路通過反饋控制，使電流穩(wěn)定輸出。在經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出單片機(jī)。由按鈕選擇配合軟件分別實現(xiàn)設(shè)定值與測試值的交替顯示。

控制核心采用單片機(jī)INTEL89C55，用此來控制提高了精度，人工干預(yù)自由度大，功能擴(kuò)展，升級余地比較大，兼容性強(qiáng)，成本低廉，易于制作，生產(chǎn)。采樣部分使用運算放大器具有很大的電源電壓控制化，可以大大減少輸出端的紋波電流。顯示部分采用鍵盤/顯示器接口控制器8279，不僅簡化接口電路，而且還減少了軟件對鍵盤/顯示器的查詢時間，提高了CpU的利用率。

3主要電路設(shè)計與計算

3.1變壓整流和供電部分

供電部分輸出200～240V，50HZ的交流電，經(jīng)過變壓器的變壓，整流，濾波，得到系統(tǒng)所需的三種電壓：+5V,+12V,-12V。主要是供數(shù)控部分和D/A轉(zhuǎn)換芯片使用電源，同時也是穩(wěn)壓輸出電路的主電源。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

對于濾波電容的選擇，要考慮：整流管的壓降；7812/7912/7815/7805的最小允許壓降為Ud；電網(wǎng)波動為10%，所以考慮電容為4700μF/16V。因7815和7812負(fù)載重功率大，所以應(yīng)加裝散熱器；電源為了使輸出的電流紋波≤0.2mA，在穩(wěn)壓器的輸出端都加上了濾波器，來除去電流的紋波。

圖2變壓整流和供電部分的系統(tǒng)框圖

3.2恒流源電路

單片機(jī)的輸出經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號后，經(jīng)過雙運放集成塊放大后，再經(jīng)過MOS管(2SK1062，N溝道)引入深度電流負(fù)反饋。引入電流負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電流，提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，擴(kuò)展頻帶，減小非線性失真[3]。采用場效應(yīng)管的優(yōu)點是雙極性晶體管輸出幾乎是不可取電流，而MOS管電壓與電流控制范圍好，應(yīng)而輸出電阻較高，并且低噪聲抗輻射，熱穩(wěn)定性以及功耗小等優(yōu)點。電路如圖3所示

圖3恒流源電流

場效應(yīng)管與BJT最基本的差別在于場效應(yīng)管是電壓控制元件，輸出漏極電流是由輸出柵極電壓控制的。跨導(dǎo)定義為：

(1)

式中：Id為輸出電流，Vgs為輸出電壓。從柵極看進(jìn)去的輸入電阻近似為無窮大，漏極電流可以忽略不計。負(fù)載電阻改變及紋波電流的抑制均由深度電流負(fù)反饋來實現(xiàn)。輸出電流范圍在0.02～2A，如取樣電阻Rs為5Ω，則輸出電壓在0.1～10V之間進(jìn)行改變。改變負(fù)載電阻Rf時，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，輸出電流變化范圍為≤輸出電流值1%+1mA。供電采用+12V電壓供電，用一個4.7μF的電解電容和一個0.1μF的瓷片電容去耦。

3.3數(shù)控部分

89C51單片機(jī)基本系統(tǒng)：數(shù)控核心采用89C55單片機(jī)與EEpROM,RAM，地址鎖存器74LS373組成單片機(jī)的基本系統(tǒng)，并對p2口的p2.0經(jīng)74LS138地址譯碼后作為8279的選通信號。在89C51引腳X1和X2接入晶振Y1和微調(diào)電容C5,C6就構(gòu)成了時鐘電路，值為12MHZ[4-5]。

系統(tǒng)采用了上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。上電復(fù)位要求接通電源后，單片機(jī)自動實現(xiàn)復(fù)位操作。手動復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運行期間，操作按鈕開關(guān)10使單片機(jī)復(fù)位。上電自動復(fù)位通過外部復(fù)位電容C4的充電來實現(xiàn)。按鍵手動復(fù)位是通過復(fù)位端經(jīng)電阻和Vcc接通來實現(xiàn)。

鍵盤為8×2按鍵式鍵盤，當(dāng)有按下時，向CpU申請中斷，CpU在中斷程序中讀取鍵盤編碼，作相應(yīng)處理。0-9號按鍵用來輸入0.02～2A的預(yù)置電流，在輸出端輸出相對應(yīng)的電流，10號按鍵為單片機(jī)手動復(fù)位清零鍵。

鍵盤/顯示接口電路：在設(shè)計鍵盤/顯示接口電路時，使用8279鍵盤/顯示控制器，它能實現(xiàn)對鍵盤的自動掃描，并對顯示器進(jìn)行自動刷新。

4電路測試與分析

4.1測試方法

測試所用儀器：數(shù)字萬用表，外接220V交流電源，低頻毫伏表。測試方法框圖如圖4所示。圖中RL為負(fù)載電阻，RS為取樣電阻，0.5Ω。

用萬用表測1和2兩端的值為實測電流值；用低頻毫伏表測3和4兩端的值為輸出紋波電壓值。誤差百分率測試：為了比較測量值和真實值的誤差，我們在20～2000mA之間選定了六個值相比較，測量數(shù)據(jù)記錄如表1所示，誤差百分率計算公式為：

(2)

式中：I1為顯示值，I2為測量值。

圖4測試方法框圖

4.2測試結(jié)果記錄

負(fù)載為5Ω時，輸出電流預(yù)置值、顯示值和測試值的對照表，見表1所示。

表1顯示值與測量值對照表（RL=5Ω）

4.3誤差分析

從測量結(jié)果來看，系統(tǒng)的誤差主要來源于：

⑴運算放大器和MOS管的電流放大倍數(shù)不夠大或者不穩(wěn)定；

⑵D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器存在一定的量化誤差；

⑶取樣電阻可能因溫度的變化引起了誤差；

⑷基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)漂引起的誤差。

5結(jié)論

本文是以AT89C55單片機(jī)為核心控制部件，通過由運算放大器和功率放大電路組成電流負(fù)反饋系統(tǒng)，來完成輸出電流的控制和恒定，從而提高了系統(tǒng)的精度。它的輸出電流可在0.02～2A之間變化，隨負(fù)載和環(huán)境溫度變化較小。該系統(tǒng)電路簡單、成本低、功耗小、可靠性高,具有較為廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。

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一種基于單片機(jī)的數(shù)控直流恒流源的設(shè)計

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