基于STC89C52的程控恒流源的設(shè)計(jì)

高精度的程控恒流電源在儀器儀表、傳感器技術(shù)和測試領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。以往程控恒流源電路大都采用PWM脈沖方式，雖便于控制和調(diào)節(jié)，但精度難以保證，并且PWM方式的波形占空比調(diào)節(jié)范圍有限，難以滿足連續(xù)可調(diào)大電流的要求。本文介紹一種采用STC89C52單片機(jī)控制壓控恒流源并通過擴(kuò)流電路來實(shí)現(xiàn)恒流源程序控制的方案，其輸出電流值可達(dá)2A。

程控恒流源的構(gòu)成和工作原理
程控恒流源電路由壓控電路、擴(kuò)流電路和數(shù)控電路組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 程控恒流源電路的組成框圖

本恒流源電路采用STC89C52控制D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生電壓控制信號(hào)，通過1個(gè)精密線性壓控電流源和擴(kuò)流電路輸出所需的電流值；取樣電路采樣后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換由數(shù)控電路讀出，然后送到顯示控制電路顯示；同時(shí)，取樣電路給壓控電流源提供電流負(fù)反饋以進(jìn)一步穩(wěn)定電流輸出。

程控恒流源電路設(shè)計(jì)
1 數(shù)控電路的設(shè)計(jì)
數(shù)控電路采用由STC89C52構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)來負(fù)責(zé)對(duì)D/A、A/D的控制，以及按鍵響應(yīng)和LED的顯示。模塊內(nèi)的數(shù)字電路和模擬電路各自采用獨(dú)立的穩(wěn)壓電路供電，以減小數(shù)字電路高頻峰值電流對(duì)模擬電路的影響，可以很大程度上降低D/A輸出的紋波電壓。

本設(shè)計(jì)中的D/A轉(zhuǎn)換電路采用MAX531，使用其內(nèi)部自帶的2.048V基準(zhǔn)源，D/A轉(zhuǎn)換的分辨率為0.5mV，加在1Ω的取樣電阻上就可以分辨出0.5mA的電流（步進(jìn)0.5mA）。

A/D轉(zhuǎn)換電路采用MAX1241，與MAX531使用同一基準(zhǔn)源。A/D轉(zhuǎn)換的分辨率為0.5mV，取樣電阻為1Ω時(shí)，測量電流的分辨率為0.5mA（可根據(jù)步進(jìn)和測量精度的實(shí)際要求，選擇D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和參考電壓）。

由于要實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，至少要有10個(gè)數(shù)字按鍵和2個(gè)步進(jìn)按鍵，考慮到還要實(shí)現(xiàn)其他的功能鍵，選用16按鍵的鍵盤來完成整個(gè)系統(tǒng)控制最合適。顯示部分采用8位LED數(shù)碼管，其價(jià)格便宜，易于實(shí)現(xiàn)。考慮到單片機(jī)的I/O端口有限，為了充分優(yōu)化系統(tǒng)，采用外部擴(kuò)展1片8155來實(shí)現(xiàn)鍵盤接口與顯示功能。

2 壓控電流源的設(shè)計(jì)
壓控電流源的負(fù)反饋放大部分有1個(gè)精密運(yùn)放構(gòu)成的同相放大器，引入深度的電流負(fù)反饋，從而穩(wěn)定輸出到負(fù)載的電流，如圖2所示。運(yùn)放正常工作于同相放大狀態(tài)時(shí)，由運(yùn)放虛地的原理可知取樣電阻上的電壓：U2=Uin，因此I2=U2/R2=Uin/R2。因?yàn)椴捎酶咻斎胱杩沟姆糯笃鳎聪噍斎攵说碾娏鹘茷榱悖?fù)載電流IL=I2=Uin/R2。只要擴(kuò)流電路性能好，輸出電流的精度完全取決于取樣電阻的精度。

圖2 壓控電流源電路原理圖

3 擴(kuò)流電路的設(shè)計(jì)
擴(kuò)流電路選用S類功率放大器，原理如圖3所示。其特點(diǎn)是用電壓控制放大器與電流驅(qū)動(dòng)放大器構(gòu)成電橋，使電壓放大器工作在無負(fù)載的狀態(tài)（輸出電流為零），而后級(jí)則工作于壓控跟隨器狀態(tài)，很容易實(shí)現(xiàn)很好的跟隨作用。而對(duì)于負(fù)載來說，前后級(jí)是并聯(lián)輸出的，而負(fù)反饋是從取樣電阻引出送回前級(jí)放大器上的。因此，S類功放的質(zhì)量取決于前級(jí)。

圖3 S類功放擴(kuò)流電路原理圖

S類功率放大電路的核心是1個(gè)帶負(fù)載能力很強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)放大器，與負(fù)載之間通過電橋耦合。假設(shè)放大器的開環(huán)增益接近無窮大，那么放大器兩輸入端的電壓將極度接近，用公式表示為：I1R1=I2R2,I3R3=I4R4。
若放大器輸入阻抗無窮大，放大器兩輸入端的電流近似為零，則I2=I4，可得，I1=I2R2R3/R4R1；電橋平衡時(shí)，R2R3=R4R1，所以I1=I2，因此I1=0。

根據(jù)以上推導(dǎo)，說明當(dāng)S類功率放大電路穩(wěn)定工作后，前級(jí)放大電路工作在空載或輕載狀態(tài)，負(fù)載所需要的電流完全由后級(jí)的電流驅(qū)動(dòng)放大電路提供。這樣，電路對(duì)前級(jí)壓控電流源的負(fù)載要求不高。

綜上所述，只要選擇高輸入性能和強(qiáng)負(fù)載能力的后級(jí)功放芯片，輸出的變化完全由前級(jí)決定。而前級(jí)工作在空載狀態(tài)，其性能基本與負(fù)載的變化無關(guān)。這樣在設(shè)計(jì)前級(jí)時(shí)，可以拋開負(fù)載能力的考慮而直接使用高精度、低失調(diào)的運(yùn)算放大器；設(shè)計(jì)后級(jí)時(shí)，因?yàn)檩敵鋈Q于前級(jí)，不必?fù)?dān)心負(fù)載的加入會(huì)影響它的工作性能，選擇范圍變得更寬。

基于S類功放電路的設(shè)計(jì)原則，為保證電路的可靠性和足夠的性能，采用高品質(zhì)功放芯片LM3886，其各項(xiàng)電氣性能非常接近理想放大器，并且有足夠的輸出功率。

測試結(jié)果表明，無論是大電流還是小電流，負(fù)載阻值的改變對(duì)系統(tǒng)的影響都比較小，說明系統(tǒng)達(dá)到恒流這一基本要求。

結(jié)語
該程控恒流源的主要特點(diǎn)是采用S類反饋控制放大電路，實(shí)現(xiàn)精密電流控制，具有操作方便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，通過實(shí)際測試性能優(yōu)越。