基于STC89C52的程控恒流源的设计

liyf · 发表于 2014-9-22 23:10:29

高精度的程控恒流电源在仪器仪表、传感器技术和测试领域中有着广泛的应用。以往程控恒流源电路大都采用PWM脉冲方式，虽便于控制和调节，但精度难以保证，并且PWM方式的波形占空比调节范围有限，难以满足连续可调大电流的要求。本文介绍一种采用STC89C52单片机控制压控恒流源并通过扩流电路来实现恒流源程序控制的方案，其输出电流值可达2A。
程控恒流源的构成和工作原理
程控恒流源电路由压控电路、扩流电路和数控电路组成，结构如图1所示。

图1 程控恒流源电路的组成框图

本恒流源电路采用STC89C52控制D/A转换电路产生电压控制信号，通过1个精密线性压控电流源和扩流电路输出所需的电流值；取样电路采样后经A/D转换由数控电路读出，然后送到显示控制电路显示；同时，取样电路给压控电流源提供电流负反馈以进一步稳定电流输出。

程控恒流源电路设计
1 数控电路的设计
数控电路采用由STC89C52构成的单片机最小系统来负责对D/A、A/D的控制，以及按键响应和LED的显示。模块内的数字电路和模拟电路各自采用独立的稳压电路供电，以减小数字电路高频峰值电流对模拟电路的影响，可以很大程度上降低D/A输出的纹波电压。

本设计中的D/A转换电路采用MAX531，使用其内部自带的2.048V基准源，D/A转换的分辨率为0.5mV，加在1Ω的取样电阻上就可以分辨出0.5mA的电流（步进0.5mA）。

A/D转换电路采用MAX1241，与MAX531使用同一基准源。A/D转换的分辨率为0.5mV，取样电阻为1Ω时，测量电流的分辨率为0.5mA（可根据步进和测量精度的实际要求，选择D/A、A/D转换器的位数和参考电压）。

由于要实现人机对话，至少要有10个数字按键和2个步进按键，考虑到还要实现其他的功能键，选用16按键的键盘来完成整个系统控制最合适。显示部分采用8位LED数码管，其价格便宜，易于实现。考虑到单片机的I/O端口有限，为了充分优化系统，采用外部扩展1片8155来实现键盘接口与显示功能。

2 压控电流源的设计
压控电流源的负反馈放大部分有1个精密运放构成的同相放大器，引入深度的电流负反馈，从而稳定输出到负载的电流，如图2所示。运放正常工作于同相放大状态时，由运放虚地的原理可知取样电阻上的电压：U2=Uin，因此I2=U2/R2=Uin/R2。因为采用高输入阻抗的放大器，反相输入端的电流近似为零，负载电流IL=I2=Uin/R2。只要扩流电路性能好，输出电流的精度完全取决于取样电阻的精度。

图2 压控电流源电路原理图
3 扩流电路的设计
扩流电路选用S类功率放大器，原理如图3所示。其特点是用电压控制放大器与电流驱动放大器构成电桥，使电压放大器工作在无负载的状态（输出电流为零），而后级则工作于压控跟随器状态，很容易实现很好的跟随作用。而对于负载来说，前后级是并联输出的，而负反馈是从取样电阻引出送回前级放大器上的。因此，S类功放的质量取决于前级。

图3 S类功放扩流电路原理图

S类功率放大电路的核心是1个带负载能力很强的电流驱动放大器，与负载之间通过电桥耦合。假设放大器的开环增益接近无穷大，那么放大器两输入端的电压将极度接近，用公式表示为：I1R1=I2R2,I3R3=I4R4。

若放大器输入阻抗无穷大，放大器两输入端的电流近似为零，则I2=I4，可得，I1=I2R2R3/R4R1；电桥平衡时，R2R3=R4R1，所以I1=I2，因此I1=0。

根据以上推导，说明当S类功率放大电路稳定工作后，前级放大电路工作在空载或轻载状态，负载所需要的电流完全由后级的电流驱动放大电路提供。这样，电路对前级压控电流源的负载要求不高。

综上所述，只要选择高输入性能和强负载能力的后级功放芯片，输出的变化完全由前级决定。而前级工作在空载状态，其性能基本与负载的变化无关。这样在设计前级时，可以抛开负载能力的考虑而直接使用高精度、低失调的运算放大器；设计后级时，因为输出取决于前级，不必担心负载的加入会影响它的工作性能，选择范围变得更宽。

基于S类功放电路的设计原则，为保证电路的可靠性和足够的性能，采用高品质功放芯片LM3886，其各项电气性能非常接近理想放大器，并且有足够的输出功率。

测试结果表明，无论是大电流还是小电流，负载阻值的改变对系统的影响都比较小，说明系统达到恒流这一基本要求。
结语
该程控恒流源的主要特点是采用S类反馈控制放大电路，实现精密电流控制，具有操作方便、稳定可靠等优点，通过实际测试性能优越。