一种精密程控恒流源设计

第27卷第4期2013年08月空军预警学院学报Journal of Air Force Early Warning AcademyV ol.27No.4Aug.2013收稿日期：2013-05-03作者简介：刘卫华(1979-)，男，工程师，主要从事机载计算机硬件设计研究.高精度宽范围程控直流恒流源的设计与实现刘卫华1，祁承超2，王荣3（1.西安六三一研究所，西安710068；2.空军预警学院五系，武汉430019；3.空军预警学院科研部，武汉430019）摘要：针对串联负反馈恒流源功耗大、效率低的问题，详细分析了影响恒流源输出电流精度的各种因素，提出了一种基于功率调整管漏源电压随输出电流自动改变原理的以ADuC841单片机为控制核心的恒流源控制方案，并进行了相关的实验．实验结果表明，通过改变输入电压，采用数字PI 调节和调整管负反馈双重闭环控制，可使输出电流精度明显提高，功耗明显降低．关键词：恒流源；ADuC841单片机；Buck 变换器中图分类号：TM46文献标志码：A文章编号：2095-5839(2013)04-0293-03直流恒流源广泛应用于电测仪表、激光、传感器等领域[1]，其实现方式有串联负反馈调整[2-3]和开关变换[4]2种．串联负反馈直流恒流源输出电流较小(≤30A),功耗较大,效率低(＜70%)，但输出电流精度高、电磁兼容性较好；开关变换直流恒流源输出电流较大(≥30A)、开关损耗较小,效率高(≥90%)，但输出电流精度不高、电磁干扰较大．本文设计了一种功率调整管漏源电压随输出电流自动改变的恒流源控制方式，分析了其工作原理．实验结果表明，该恒流源具有输出电流范围宽、精度高及功耗低等优点．1串联负反馈直流恒流源串联负反馈直流恒流源是依据负反馈和晶体管集电极电流输出较平坦原理，当误差放大器同、反相端电压不相等时，电压差值经误差放大器放大后，通过改变线性调整管栅源之间的电压U GS 来改变流过调整管漏源间的电流I 0，最终实现误差放大器同、反相端基准电压与取样电阻两端电压相等，从而实现输出电流的恒定．其典型电路[1]如图1所示．恒流源输出电流为I 0=U S /R S(1)ｏ图1串联反馈直流恒流源电路1)影响输出电流的因素[1-2]．影响恒流源输出电流精度的因数包括：基准电压U S 的稳定度、取样电阻R S 阻值随温度的变化、误差放大器输入端电压漂移及噪声电压、误差放大器本身参数的变化、误差放大器输入端内阻漂移、负载电阻R L 的变化及输入端直流电压U i 纹波等．其中，基准电压U S 的稳定度、取样电阻R S 阻值随温度的变化、误差放大器输入端电压漂移及噪声电压是影响恒流源输出电流精度的主要因素；其他则是次要因素，可不考虑．2)控制方式．串联负反馈直流恒流源的控制方式有误差放大器负反馈[2-3]和PI 调节控制[5]2种．前者虽然能实现输出电流的恒定，但输出电流稳定性和负载动态性能差；后者则电流稳定性和负载动态性能均较好．PI 调节控制又分为模拟PI 调节控制和数字PI 调节控制，两者的恒流控制原理一致，都是将给定电流值与输出电流反馈值比较，电流差值经过PI 运算后控制调整管栅源之间的电压，从而改变调整管漏源间的输出电流，最终实现输出反馈电流与给定电流的无误差．3)减小调整管功耗的方法．如何降低调整管的功耗，是恒流源设计必须考虑的重要因素．根据输出功率的计算公式P OUT =U 2DS /R DS =I 2DS R DS可知，降低调整管功耗的途径有3种：①采用多只调整管并联均流方式；②采用调整管与电阻并联再串联分压方式；③控制输入电压，使调整管漏源电压恒定的方式．文献[6]采用第1种方式实现大电流恒流，但须保证并联调整管参数完全一致，且为了提高系统的可靠性，还需增加每只并联调整管电流检测及均流电路，实现方式较复DOI:10.3969/j.issn.2095-5839.2013.04.016空军预警学院学报2013年杂；文献[7]采用第2种途径来降低调整管的功耗，根据输出电流的不同，将串联调整管分别工作在饱和、线性放大及截止状态，从而将调整管的损耗转嫁到并联电阻上，该方式需增加串联调整管栅源电压U GS 控制电路．第3种途径是当输出电流大幅度调节时，调整管在很宽的电压范围内工作，很难保证调整管工作在最佳状态，同时，当输出电压调到很低乃至输出端短路时，调整管几乎承担了全部的功耗，为保证恒流源有较高的效率，同时保证输出电流的高稳定性，采用改变输入电压的方式，使调整管漏源电压U DS 维持相对恒定．4)电流取样．直流恒流源电流取样的方式有电阻取样和零磁通直流互感器取样[1,7-9]2种．前者由于电阻阻值随温度的升高而发生改变，为保证取样电流的稳定度，一般选用阻值随温度变化较小的锰铜电阻，该方式适用于恒流源输出电流较小的情况，当电流较大时，取样电阻阻值因温升必然发生改变，从而影响恒流源输出电流的稳定度；后者实际是一个直流电流比较仪，它把一次大电流精确地变换成二次小电流，而在二次电流回路中仍用标准电阻取样获得电压信号．零磁通直流互感器具有不随温度变化的优点，但当电流处于较大变化范围变化时，低端线性度较差．2程控恒流源的原理与设计实现2.1系统总体方案设计恒流源电路结构如图2所示．整个恒流源电路由Buck 变换器、串联负反馈恒流源电路、输出电流检测电路、调整管漏源电压U DS 差动放大反馈电路、ADuC841单片机系统组成．ｏｏ+-图2恒流源电路结构恒流源采用Buck 变换器与负反馈恒流源电路构成组合式的恒流源电路，通过Buck 变换器可实现输入电压随输出电流的改变而改变，确保调整管工作在最佳的线性状态及合适的功耗范围．恒流源采用软件PI 调节实现恒流．2.2工作原理1)调整管输入电压随输出电流改变原理Buck 变换器输出电压为U OUT =DU DC(2)式中，U DC 为220V AC 整流滤波后的直流电压，D 为开关管V T1的占空比．通过调节开关管V T1的占空比D 就可改变输出电压，从而改变调整管输入电压．占空比D 的控制方式采用的是增量式PI 调节方式．PI 调节公式为D n =D n -1+K P (e n -e n -1)+K I e n e n =U ref -U bak}(3)式中，U bak 为调整管漏源电压U DS 经差动放大器AD620放大后，经A/D 采样的电压值；U ref 为给定参考值；K P 、K I 分别为PI 调节的比例系数和积分系数．系统稳定后，Buck 降压电路输出电压U OUT 随给定U ref 的改变而改变．U ref 由单片机软件设定，当恒流源输出电流处于不同值时，通过对U ref 查表的方式改变Buck 变换器输出电压U OUT ，从而使调整管始终工作在较佳的线性状态和功耗状态．2)恒流原理恒流源输出电流经取样电路取样放大后，经A/D 采样得到输出电流反馈值，给定电流值与反馈电流值差值比较后，经软件PI 调节，输出值经D/A 变换后控制调整管的栅源电压，最终达到给定电流值与反馈电流值差值为零，从而实现输出电流恒定．恒流源输出电流PI 调节采用增量式PI 调节方式，同式(3)．恒流源输出电流为I o =NR 1(R 1+R 2)I refR S (4)式中，I ref 为输出电流的给定值，N 为直流电流互感器副边与原边匝比．2.3软件设计系统软件采用模块化结构，分为数据采集与处理、键盘处理与显示、PI 调节、脉宽调整等4个子程序模块．其软件流程如图3所示．图3软件流程3实验结果1)实验参数．选用MJE8055调整管，ADuC841294第4期刘卫华，等：高精度宽范围程控直流恒流源的设计与实现单片机；对输出电流取样，零磁通直流互感器，原副边匝比为1∶100，电流检测最大值为10A．高精度宽范围程控恒流源技术指标为：输入电压220V AC/50Hz，输出电流0～5A，步进2mA，输出电流最大纹波≤0.1mA，输出电压≤10V，整机效率≥80%．2)实验结果．使用FLUCK六位半数字表DF1931双输入交流低频毫安表对系统进行了测量．测试结果如表1所示．由实验结果可知：恒流源输出电流在0～5A范围内误差≤0.2%,输出电流最大纹波≤0.1mA．表1测量结果给定电流/mA 10100500200040005000负载/Ω0.51.02.00.51.02.00.51.02.00.51.02.00.51.02.00.51.02.0输出电流/mA9.9810.0010.02100.00100.10100.10499.00501.50501.601997.002001.002003.004002.004000.004004.004997.005002.005006.00纹波电流/mA0.030.060.050.040.070.060.050.020.040.070.080.060.050.070.040.080.060.08输出电压/V0.00490.01000.19000.05000.10000.19000.25000.49001.02001.00003.99003.98002.00004.01007.98002.49004.98009.9700整机效率/%90～9190～9188.2～88.587.5～88.086.4～87.085.0～86.54结论本文分析了影响恒流源输出电流精度的各种因素、所采用的控制方式及降低恒流源功耗的方式等，提出了一种以ADuC841单片机为控制核心的高精度宽范围恒流源的设计方案．该恒流源通过改变调整管输入电压，确保调整管在整个输出电流范围内均工作在较佳的工作状态下，采用直流互感器取样，数字PI调节和调整管负反馈双重闭环反馈控制，确保输出电流精度≤0.2%，调整管功耗大大降低．参考文献：[1]陈凯良，竺树声.恒流源及其应用电路[M].杭州：浙江科学技术出版社，1992:1-10.[2]汪雨林.25A恒流源系统实验研究与设计[D].长春：吉林大学，2004:1-10.[3]穆云田.基于单片机控制的直流恒流源的设计[D].石家庄：河北工业大学，2007:1-10.[4]张瑞峰,孔令杭，吕辰刚.大功率半导体激光器恒流源设计[J].激光技术，2012，36(1)：80-83.[5]张苏红,黄韬,王进华,等.基于增量式PID控制的数控恒流源[J].现代电子技术，2011,34(20):190-192.[6]才滢，苏皤.300A标准恒流源的设计[J].计测技术，2010,30(6):17-19.[7]卢玉宇.大电流电流源实现方法[J].福建农林大学学报，2008,37(3):329-333.[8]李惠英，赵新龙，斯扬华.直流互感器在恒流源中的应用研究[J].电站系统工程，2004,20(1):34-35.[9]吴伟,顾文晶,冯秀明,等.高稳定度电源设计的关键因素[J].兰州大学学报：自然科学版，2001,37(2):57-62.Design and Implementation of Programmable DC Constant CurrentSource With High-precision and Wide-rangeLIU Wei-hua1,QI Cheng-chao2,WANG Rong3(1.Xi’an No.631Institute,Xi’an710068,China；2.No.5Department,Air Force Early Wearing Academy,Wuhan430019,China；3.Division of Scientific Research,Air Force Early Wearing Academy,Wuhan430019,China)Abstract：In view of the issues of high power loss and low efficiency of the series negative feedback DC constant current source,this paper analyzes various factors that exert influences on the output current precision of the constant current source in detail,brings about a sort of control scheme of the source in which the ADuC841 single-chip is as a core and its operating principles are based on the voltage of drain node and source node of the power transistor changing automatically with the output current,and the relating experiments are performed. Experimental results show that the output current precision could be improved and the power loss lowered clearly, by changing the input voltage and employing the digital PI regulator and the power transistor with negative feedback and double closed-loop control.Key words：constant current source；ADuC841single-chip；Buck converter295。

摘要本文介绍了一种开环智能数控直流电流源的设计原理和实施方案，该方案采用D/A（MAX531）转换器、运算放大器等器件来控制场效应管导通状态的原理，达到了输出恒流的目的。

整个系统采用AT89S52单片机作为主控部件，将预置电流值数据送入D/A转换器（MAX531），经硬件电路变换为恒定的直流输出，同时采用基本没有温度漂移的康锰铜电阻丝作为精密采样电阻。

采用性能优于普通晶体管的场效应管作为恒流源的主要部件，大功率晶体管作为扩流电路的主要器件，结合三端稳压管和多层滤波使得整个系统性能提升了一个层次，从而实现了高精度恒流源的目的。

系统还对输出电压进行实时采样，通过A/D转换器采样回单片机与用户给定的限压值进行比较，从而监控了输出电压。

同时通过键盘的控制,实现了输出电流值和限压值可预置，可步进调整、输出的电流信号和电压信号可直接数字显示的功能，并具有输出电压实时监控限压报警并自动降低输出电流等功能。

与以往的直流恒流源相比，此次所设计的恒流源具有精度高、结构简单、工作稳定、操作方便、成本低廉、带负载能力强等优点。

关键词：恒流源 AT89S52单片机 MAX531 MAX187AbstractThis paper introduces a smart NC open-loop DC current source design principle and the implementation of the programme, using the D / A (MAX531) converters, op amp, and other devices to control FET on-state principle, the output reached constant current purposes. AT89S52 the entire system uses a single-chip microcomputer control components, preferences current value data will be sent to the D / A converters (MAX531), the hardware circuit for the constant transformation of DC output, but not using the basic temperature drift Concord Manganin resistor Silk as a sophisticated sampling resistor. Performance is better than the ordinary use of the FET transistor as a constant current source of major components, high-power transistors as expanding the main circuit device, the combination of three-terminal regulators and the multi-filter makes the whole system a performance boost levels to achieve a high-precision constant current source purposes. Output voltage of the system to conduct real-time sampling, through the A / D converters with sampling to MCU users to set limit values to compare pressure to control the output voltage. At the same time, the keyboard control and realized the value of output current and voltage-limiting values can be preset, stepping adjustment, the current signal and the output voltage signal can be directly figures show that the function, and real-time monitoring of the output voltage, such as over-voltage alarm function. In the past compared to DC current source, the design of a high-precision constant current source, simple structure and work stability, and easy to operate, low cost, with a payload capacity, and other advantages.Key words: Current source AT89S52MCU MAX531 MAX187目录摘要 (I)前言 (1)第一章系统结构及功能介绍 (2)1.1系统工作原理概述 (2)1.2系统的特点和使用 (2)1.2.1 系统的特点 (2)1.2.2 系统的使用说明 (3)第二章设计方案 (4)2.1方案比较 (4)2.1.1整体方案 (4)2.1.1.1 方案一 (4)2.1.1.2 方案二 (5)2.1.1.3 方案三 (5)2.1.2恒流源方案 (6)2.1.2.1 方案一 (6)2.1.2.2 方案二 (6)2.1.2.3 方案三 (7)2.2最终选用方案 (7)第三章硬件系统设计 (8)3.1系统硬件基本组成 (8)3.2各模块单元电路设计 (8)3.2.1 电源电路 (8)3.2.2 扩流电路 (9)3.2.2.1 电路的优点. (9)3.2.2.2 电路工作原理 (10)3.2.3 恒流电路 (10)3.2.4 采样电路 (11)3.3系统主要芯片介绍 (12)3.3.1 AT89S52单片机 (12)3.3.2 MAX531 (12)3.3.3 MAX187 (13)3.3.4 AT24C16 (14)第四章软件设计 (18)4.1概述 (18)4.2主程序结构 (18)4.3各模块子程序设计原理 (20)4.3.1 MAX531工作原理 (20)4.3.2 MAX187工作原理 (20)4.3.2 键盘扫描原理 (21)4.3.3 LCD 12864显示 (22)第五章系统调试 (23)5.1硬件设计要点 (23)5.1.1 共地问题 (23)5.1.2 采样电阻选择 (23)5.1.3 D/A及A/D电路处理 (24)第六章数据测试及分析 (25)6.1输出电流测试 (25)6.2步进电流测试 (26)6.3 工作时间测试 (27)6.4 负载阻值变化测试 (28)6.5 输出电压值测试 (29)第七章结束语 (31)参考文献 (32)附录 (33)一、系统电路原理图： (33)图1.1 系统电源原理图 (33)图1.2 系统恒流源电路原理图 (33)图1.3 系统单片机最小系统原理图 (34)图1.4 系统D/A、A/D原理图 (34)图1.5 系统显示电路及存储电路 (35)二、系统部分程序设计 (35)2．1 MAX531子程序 (35)2．2 MAX187子程序 (36)2．3 键盘扫描子程序 (37)2．4 AT24C16子程序 (38)2．5 LCD12864子程序 (42)致谢 (44)前言随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。

精密程控恒流源的设计作者：陈以华来源：《科技与创新》2017年第10期文章编号：2095-6835（2017）10-0117-01摘要：从恒流源的作用及原理入手，首先介绍了恒流源的分类，而后主要针对程控恒流电源进行了系统设计，以期为其他同行提供一定的参考和借鉴。

关键词：程控恒流源；单片机；恒压源；压控恒流源中图分类号：TN86 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2017.10.1171 恒流源的作用及原理恒流源一般有2个作用：①可以作为有源负载被当作高电阻使用。

②为放大器提供静态电流补偿，从而增大放大电路的电压放大倍数。

这种用法在集成运放电路中有非常广泛的应用。

恒流源有很多分类，可以程序控制调整稳定电流的一般为压控恒流源电路，主要是靠程序调节控制点的电压值来调节恒流的数值。

2 程控恒流源的整体结构系统主要由系统供电电源、直流电压变换电路、恒流源电路、主控单元、外围输入输出电路和扩展的恒压源电路6部分组成，如图1所示。

其中，外围输入输出电路包括键盘和LCD 显示屏。

运转逻辑是供电电源经转换电路转换后供电给主控单元，恒流源电路和扩展的恒压源电路作为各自的输入供电。

恒流源电路采用压控恒流源原理设计实现输出电流稳定的功能。

ATMEGA16单片机作为系统的主控核心，接收键盘的输入信息，将此信息转化为恒流源电路的对应控制电压输入给恒流源，并通过内部的ADC模块采集监测恒流源的负载电压，从而判断恒流源是否达到了要求，并最终将这个恒流源的输出电流值显示在LCD显示屏上。

3 主控单片机单元的选取本程控恒流源中使用到模数转化和数模转化，结合可靠性及性价比，选取AVR内核具有丰富的指令集ATmega16单片机来构建整个程控恒流源系统。

它拥有32个与运算逻辑单元（ALU）相连接的通用工作寄存器。

这样的结构可以提高代码效率，因为它在一个时钟周期内1条指令同时访问2个独立的寄存器，与普通的CISC微控制器相比，其最多可以有10倍的数据吞吐率。

2013 年 仪 表 技 术 与 传 感 器2013 第 6 期Instrument Techniqueand SensorNo. 6高精度数控直流恒流源的设计与实现黄天辰，贾 嵩，余建华，郎 宾( 军械工程学院，河北石家庄 050003)摘要: 设计并实现了一种基于单片机的高精度数控直流恒流源。

该电源以电流串联负反馈式压控恒流源电路为基 础，以 AT89S51 单片机为控制核实现数字化控制。

为实现高精度要求，在数控部分中，采用 12 位高精度 D /A 转换器TLV5616 控制压控恒流源的输出电流，并利用 12 位高精度 A /D 转换器 TLC2543 测量输出电流; 为方便数字化控制，采用 矩阵式键盘作为电流输出设定装置; 为达到更好的人机交互及低功耗要求，采用 LCD1602 型液晶显示屏显示设定的电流 和实际输出电流。

实践表明: 所设计的数控直流恒流源具有纹波小、精度高、稳定度强等优点，而且操作简单、价格低廉、扩展性强，具有较高的实用价值。

关键词: 数控; 直流恒流源; 单片机; 数模转换器; 模数转换器中图分类号: TM911; TP391 文献标识码: A 文章编号: 1002 － 1841( 2013) 06 － 0027 － 03Design and Realization of Digital Controlled DC Current Sourcewith High-precisionHUANG Tian-chen ，JIA Song ，YU Jian-hua ，LANG Bin ( Ordnance Engineering College ，Shijiazhuang 050003，China )Abstract : A digital controlled DC current source with high-precision based on MCU was designed and realized ． The voltage-controlled constant current source based on the current- current feedback was the foundation ，and the AT89S51 MCU was the con-trol core of digital control ． For high precision ，the output current was acquired by 12-bit digital-to-analog converter TLV5616 and measured by 12-bit analog-to-digital converter TLC2543． For the convenience of operation and the low power waste ，the matrix key-board was acted as operating equipment and LCD1602 display the current of setting and actual output ． It is proved this current source has the character of low ripple ，high precision ，output constant ，easy control ，low cost ，powerful extensibility and highpracti-cal value ．Key words : digital control ; DC current source ; MCU ; DAC ; ADC0 引言低纹波、高精度直流恒流源是一种非常重要的特种电源， 在现代科学研究和医疗、工业生产中得到了越来越广泛的应 用。

高精度数控恒流源的设计与实现宋林桂【摘要】为了满足可调温无纺布热切割机对恒流源的需求,文章阐述了一种基于单片机的高精度数控恒流源的设计和实现方法.该电源以电流串联负反馈式压控恒流源电路为基础,以AT89S52单片机为控制核实现数字化控制.为实现高精度要求,在数控部分中,要采用12位高精度数字模拟转换器(Digital Analog Converter,DAC)芯片TLV5616控制压控恒流源的输出电流,并利用16位高精度模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)芯片ADS1115测量输出电流.文章采用矩阵键盘设定电流输出值,采用LCD12864液晶屏显示设定的电流和负载两端电压值.测试结果表明,本恒流源在20 ～2000mA输出电流时,输出电流与给定值误差小于5mA.【期刊名称】《无线互联科技》【年(卷),期】2016(000)018【总页数】3页(P59-60,76)【关键词】AT89S52;恒流源;ADS1115;TLV5616【作者】宋林桂【作者单位】苏州健雄职业技术学院电气工程学院,江苏太仓215411【正文语种】中文高精度恒流源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和医疗、工业生产中得到了越来越广泛的应用。

传统的恒流源往往用电位器调节输出电流，其精度较差，且无法实现精确步进。

目前，恒流源已朝着数字化方向发展，多采用模数和数模转换器实现数字化控制，具有高精度、高稳定性等特点［1］。

该系统主要由电源模块、恒流源电路模块、负载模块、单片机最小系统模块、键盘显示模块、ADC电路模块和DAC电路模块、LCD12864液晶显示电路以及4×4矩阵键盘电路构成，系统结构如图1所示。

2.1 电源电路系统中使用到集成运算放大器，集成运算放大器供电使用正负电源。

如图2所示，为了减少系统输出的纹波系数，系统选用±12V变压器把市电降成低压，变压器变压后经过整流滤波得到正直流电源DC+和负直流电源DC-，正电源DC+和负电源DC-为集成运算放大器提供正负电源。