系統(tǒng)框圖

　　圖1為系統(tǒng)的總體框圖,。本系統(tǒng)通過(guò)小鍵盤(pán)和LCD實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流，小鍵盤(pán)負(fù)責(zé)接收要實(shí)現(xiàn)的電流值,，LCD 12864負(fù)責(zé)顯示,。AVR單片機(jī)根據(jù)輸入的電流值產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM波，經(jīng)過(guò)濾波和功放電路后對(duì)壓控恒流元件進(jìn)行控制,，產(chǎn)生電流,，電流再經(jīng)過(guò)采樣電阻到達(dá)負(fù)載。同時(shí),，對(duì)采樣電阻兩端信號(hào)進(jìn)行差分和放大,，送入ADC。單片機(jī)根據(jù)采集到的值調(diào)整PWM輸出,，從而調(diào)整了輸出電流,。如此反復(fù)，直到電流達(dá)到設(shè)定要求,。

數(shù)控恒流源系統(tǒng)框圖" src="http://files.chinaaet.com/images/20110908/fae5a9cb-d3c9-47e7-b763-98b9d643865d.jpg" style="WIDTH: 308px; HEIGHT: 193px" />

　　圖1 數(shù)控恒流源系統(tǒng)框圖

　　模塊介紹

　　1 人機(jī)接口模塊

　　本模塊包括小鍵盤(pán)電路和液晶顯示電路,。鍵盤(pán)設(shè)計(jì)為3×4鍵盤(pán)，由數(shù)字鍵0～9,，功能鍵“刪除”及“確認(rèn)”組成,，采用反轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)鍵值識(shí)別。顯示電路由帶中文字庫(kù)的LCD 12864構(gòu)成,，該液晶可以每行8個(gè)漢字顯示4行,。由于這部分電路比較簡(jiǎn)單，在此不詳述,。

　　2 核心控制模塊

　　系統(tǒng)的核心控制模塊為AVR單片機(jī)(ATMEGA 16L),。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。

　　AVR單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)具有16位PWM功能的定時(shí)/計(jì)數(shù)器,。在普通模式下,，計(jì)數(shù)器不停地累加，計(jì)到最大值(TOP=0xffff)后溢出,，返回到最小值0x0000重新開(kāi)始,。當(dāng)啟用PWM功能即在單片機(jī)的快速PWM模式下，通過(guò)調(diào)整OCR1A的值可實(shí)現(xiàn)輸出PWM波的占空比變化,。產(chǎn)生PWM波形的機(jī)理是：PWM引腳電平在發(fā)生匹配時(shí)(匹配值為0～0xffff之間的值,，如圖2中的C)，以及在計(jì)數(shù)器清零(從MAX變?yōu)锽OTTOM)的那一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)生跳變,，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示,。

　　圖2 PWM波產(chǎn)生過(guò)程

　　圖2中的C～F為OCR1A匹配值。從圖中可見(jiàn)，波形在每個(gè)匹配值處以及計(jì)數(shù)清零時(shí)輸出發(fā)生變化,，從而實(shí)現(xiàn)了PWM波,。由于OCR1A的值可以從0x0000到0xffff，共有65535個(gè)值,，因此PWM波的最大分辨率為1/65535,，滿足系統(tǒng)分辨率設(shè)計(jì)要求。PWM波的頻率為：

　　(1)

　　其中,，fclk_I/O為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 (7.3728MHz),，N為分頻系數(shù)(取1、8,、64,、256或1024)。在N取1時(shí),，根據(jù)式(1)得PWM波的最大頻率為7.3728MHz;當(dāng)N取1024時(shí),，PWM波的最小頻率為 7.2kHz。本系統(tǒng)N取256,，PWM波頻率為28.8kHz,。

　　單片機(jī)內(nèi)部有1個(gè)10位的逐次逼近型ADC，當(dāng)使用片內(nèi)VCC作為參考電壓Vref,，其分辨率為：

　　(2)

　　若使用片內(nèi)的2.56V基準(zhǔn)源作為參考電壓,，依據(jù)式(2)可得到其分辨率為0.003V。

　　當(dāng)系統(tǒng)需要更高的分辨率時(shí),，可以通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn),。具體實(shí)現(xiàn)方法可參考相關(guān)資料。

　　3 濾波和功放模塊

　　圖3 二階RC低通濾波電路

　　PWM波產(chǎn)生后不能直接用于控制MOSFET,，需把其變成能隨占空比變化而變化的直流電壓,。在此，我們選用二階RC低通無(wú)源濾波器,，并取得了很好的效果,。

　　二階RC低通無(wú)源濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：

　　(3)

　　其中，A為通帶增益,，Q為品質(zhì)因素,， ω0為截止頻率。根據(jù)式(1)算出PWM波的頻率,，取截止頻率為30kHz,，由式(3)可確定對(duì)應(yīng)的電阻、電容值,。

　　由于無(wú)源濾波器的負(fù)載能力差,，信號(hào)經(jīng)過(guò)二階無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)后衰減比較厲害，需要增加一級(jí)功率放大電路。功放電路比較簡(jiǎn)單,，也有經(jīng)典電路,，限于篇幅不再贅述。

　　恒流源采用的是壓控恒流元件IRF540,，它的VGS為20V,，ID為33A。截止時(shí),，最大漏電流為1μA，導(dǎo)通電阻僅有0.04Ω,，圖4為IRF540的特性曲線,。

　　圖4 IRF540特性曲線

　　由圖4可知，當(dāng)VGS為5V時(shí),，可輸出電流就可達(dá)到30A左右,，完全能實(shí)現(xiàn)小電壓控制大電流的目的。具體應(yīng)用電路如圖5所示,。

　　圖5 橫流電路

　　IRF540的G極接PWM波轉(zhuǎn)換后的直流電壓,，D極接能提供15V/5A電流的電源(可采用開(kāi)關(guān)電源)，S極用來(lái)接采樣電阻和負(fù)載,。采樣電阻應(yīng)采用溫漂系數(shù)低,、阻值為10mΩ、精度為1%的大功率錳銅絲電阻,。當(dāng)對(duì)采樣電阻兩端信號(hào)進(jìn)行差分后,，可得到采樣電阻兩端的電壓值U，而在已知采樣電阻阻值情況下,，很容易得到流經(jīng)采樣電阻的電流,，即I=U/R。由于負(fù)載與采樣電阻在同一條支路,，故流經(jīng)負(fù)載的電流也為I,。差分放大電路的放大倍數(shù)可根據(jù)采樣電阻阻值以及ADC的參考電壓來(lái)選擇，圖5中要求R1=R3,，R2=R4,，放大倍數(shù)為R4/R3。需要注意的是該電路應(yīng)該具有很高的輸入阻抗,，以減少對(duì)負(fù)載電路的影響,。差分信號(hào)經(jīng)ADC口送入單片機(jī)進(jìn)行處理。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　由圖6可知,，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的閉環(huán)系統(tǒng),。由于PWM初始匹配值設(shè)置的大小不同，電流值在開(kāi)始時(shí)可能會(huì)跟設(shè)定值有較大偏差。隨著閉環(huán)系統(tǒng)的自我調(diào)整,，逐漸使輸出穩(wěn)定在設(shè)定值上下,。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間以及穩(wěn)定后電流值波動(dòng)的幅度，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求由軟件來(lái)調(diào)整,。

PWM技術(shù)的數(shù)控恒流源電路程序流程圖" src="http://files.chinaaet.com/images/20110908/65d6709c-ea38-40e6-b447-dcf2eccdf881.jpg" style="WIDTH: 346px; HEIGHT: 390px" />

　　圖6 程序流程圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　我們對(duì)此數(shù)控恒流源進(jìn)行了負(fù)載測(cè)試,，測(cè)試結(jié)果如下：

　　從表1和表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，該恒流源在負(fù)載為100Ω以內(nèi),，最大誤差僅為2mA,，在0～200mA段沒(méi)有誤差，滿足了設(shè)計(jì)要求,，達(dá)到了較高的精度,。

　　如果需要提高200mA段以上的精度，可采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn),。即先測(cè)量足夠多的測(cè)試數(shù)據(jù),，然后采用曲線擬合方法對(duì)數(shù)據(jù)分段進(jìn)行補(bǔ)償，詳細(xì)方法可參考相關(guān)資料,。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本數(shù)控恒流源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，成本低，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,，精度高,，已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。如果設(shè)計(jì)要求更高的恒流值,，可以更換更大功率的+15V/I電源,，以及更換合適的壓控恒流元件。