1 引言

    電源技術(shù)尤其是title="數(shù)控">數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，涉及了電氣,、電子,、系統(tǒng)集成、控制理論,、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域,。計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的發(fā)展，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景,，同時(shí)也給電源提出了更高的要求,。普通電源由于精確度不高等缺點(diǎn)已不能滿足現(xiàn)實(shí)的需要。直到單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn),，才使精確數(shù)控電源的發(fā)展有了可能,。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)控電流源采用PIC16F877A單片機(jī)為核心部件，鍵盤,、顯示,、D/A,、開關(guān)電源等模塊為外圍電路。

 2 設(shè)計(jì)要求和總體設(shè)計(jì)思路

 2.1 設(shè)計(jì)要求

     本設(shè)計(jì)要求：輸入220V，輸出最高12V,；通過鍵盤控制輸出電流，步長為0.01A,；采用LED顯示輸出電流,，精度為0.02A；電流源穩(wěn)流范圍為（0.2-1）A,。

 2.2 總體設(shè)計(jì)思路

     本設(shè)計(jì)采用開關(guān)電源,，以達(dá)到輸出范圍和精度以及紋波的要求。根據(jù)系統(tǒng)要求,，采用D/A轉(zhuǎn)換后,，接運(yùn)算放大器構(gòu)成的功率放大來控制D/A的輸入，從而控制電流值的方法,。本系統(tǒng)主要由數(shù)控部分,、電源部分和鍵盤顯示電路組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,。

3 硬件電路設(shè)計(jì)及軟件選擇

    根據(jù)數(shù)控電流源的設(shè)計(jì)要求,，系統(tǒng)主要由控制模塊、電源模塊,、D/A模塊及鍵盤顯示模塊構(gòu)成,。

 3.1 控制模塊的選擇

     本設(shè)計(jì)采用的是PIC16F877A單片機(jī)控制。與AT89C51單片機(jī)相比,，PIC16F877A采用哈佛結(jié)構(gòu),，能實(shí)現(xiàn)指令的單指節(jié)化，有精簡指令集技術(shù),，尋址方式簡單,，I/O口驅(qū)動能力強(qiáng)，具備I2C和SPI串行總線端口,，外圍電路簡潔,，不僅便于開發(fā)，而且還可節(jié)省用戶的電路板空間和制造成本,。程序保密性強(qiáng),，有低功耗、寬電壓設(shè)計(jì),，能將相當(dāng)一部分外圍器件結(jié)合到一起,，使用方便，抗干擾性能提高,。

 3.2 電源模塊的選擇

       電源模塊一般主要采用全橋整流加電容濾波電路,、三端穩(wěn)壓集成電路外接擴(kuò)流管和開關(guān)電源電路。全橋整流加電容濾波電路廣泛應(yīng)用于一些要求不太高的直流電流源中，其驅(qū)動能力和后級的濾波電容有關(guān),，該電路顯著的特點(diǎn)就是能夠比較好的滿足電流的瞬態(tài)相應(yīng),，而如果負(fù)載要求持續(xù)的大電流輸出，該電路將無能為力,。三端穩(wěn)壓集成電路外接擴(kuò)流管既利用了穩(wěn)壓集成塊良好的穩(wěn)壓性能,，又能夠有一定的電流輸出，在一些高精度的線性穩(wěn)壓電源中被廣泛采用,，但是效果較差,。開關(guān)電源的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小,、效率高,。與之相配套的散熱器體積大大減小，同時(shí)脈沖變壓器體積比工頻變壓器小了很多,。因此采用開關(guān)電源的電流源具有效率高,、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),。

     由于本設(shè)計(jì)對電源的要求比較高,，尤其體現(xiàn)在對電源的功率和紋波電壓的要求上。因此,，在這里采用的是開關(guān)電源電路,。

 3.3 D/A轉(zhuǎn)換模塊的選擇

     TLC5615為美國德州儀器公司1999年推出的產(chǎn)品，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器,，其輸出為電壓型,，最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓值的兩倍。帶有上電復(fù)位功能,，即把DAC寄存器復(fù)位至全零,。它是串行輸入的10位高精度D/A轉(zhuǎn)換器，因此經(jīng)轉(zhuǎn)換的最終輸出電壓可以達(dá)到0V～10V,。10位D/A,，分辨率為1/2048，選采樣電阻為15kΩ,，D/A輸出的分辨率能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)0.01A,。

 3.4 軟件的選擇

     Protel 99 SE軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一套建立在IBM PC兼容機(jī)環(huán)境下的EAD電路集成設(shè)計(jì)軟件平臺。它具有電路原理圖設(shè)計(jì),、PCB（印制電路板）設(shè)計(jì),、電路的層次化設(shè)計(jì)、報(bào)表制作,、電路仿真以及邏輯器件設(shè)計(jì)等功能,。

     MICROCHIP公司為PIC系列單片機(jī)配備了功能強(qiáng)大的軟件集成開發(fā)系統(tǒng)Mp lab，該軟件是一個(gè)集成多種單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)工具軟件于一體的、功能完備的軟件包,。

     本文采用Protel 99 SE軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行PCB板的設(shè)計(jì),，Mp lab進(jìn)行系統(tǒng)仿真,。

 4 數(shù)控電流源的單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)

     本文所采用的PIC16F877A單片機(jī)是MICROCHIP公司開發(fā)的新產(chǎn)品,，具有FLASH編程的功能，可以直接在單片機(jī)上進(jìn)行如暫停CPU執(zhí)行,，觀察寄存器內(nèi)容等操作,，是目前應(yīng)用最廣泛的一種PIC單片機(jī)。

     單片機(jī)程序所要實(shí)現(xiàn)的功能是：獨(dú)立鍵盤對PIC16F877A單片機(jī)輸入數(shù)據(jù),，PIC16F877A單片機(jī)對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，并送到10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5615，實(shí)現(xiàn)對電流的控制,。

     在這里采用的是C語言編程,，其優(yōu)點(diǎn)是編寫代碼效率高、軟件調(diào)試直觀,、維護(hù)升級方便,、代碼的重復(fù)利用率高、便于跨平臺的代碼移植等,。主程序流程圖如圖2所示,。

5 系統(tǒng)測試

    本設(shè)計(jì)要求輸出電流范圍為0.2A-1A，恒流源模塊采樣電阻兩端電壓為200mV-2000mV,，由電壓值可以推算出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓|Vref|至少為2V（Vref<0）,。本設(shè)計(jì)的Vref=-2.15V，輸出端模擬電壓范圍為（0-12）V,，所以輸出電流為0.2A-1A,。設(shè)計(jì)要求在0.2A-1A內(nèi)任意預(yù)值，本設(shè)計(jì)通過鍵盤輸入電流值送單片機(jī),，單片機(jī)根據(jù)輸入的鍵值,，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，然后輸出模擬量,。部分電流值及其對應(yīng)的理論和實(shí)際的數(shù)字量如表1所列,。其中對應(yīng)理論碼值為輸入電流對應(yīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換所需要的碼值，實(shí)際碼值為單片機(jī)根據(jù)輸入電流值處理后送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的碼值,。

    表1所列的測試結(jié)果表明,，本設(shè)計(jì)輸出的最大誤差為當(dāng)輸入電流為32mA時(shí)，輸出電流為33mA,，誤差為1mA,。而題目中發(fā)揮部分要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流的0.1%+1mA，即1.032，所以本設(shè)計(jì)測量出來的誤差值達(dá)到了設(shè)計(jì)要求規(guī)定的誤差值,。

 6 結(jié)論

     本文所設(shè)計(jì)的數(shù)控電流源采用PID算法實(shí)現(xiàn)了量程可選,、輸出可調(diào)、步進(jìn)精確,、紋波電流極小的功能,，而且可將輸出電流預(yù)置值、實(shí)測值在LED上同時(shí)顯示,。人機(jī)接口采用獨(dú)立鍵盤及LED顯示器,，控制界面直觀、簡潔,，具有良好的人機(jī)交互性能,。其具有控制靈活，系統(tǒng)升級方便,，控制系統(tǒng)的可靠性提高,，易于標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)維護(hù)方便,、一致性好,、成本低，生產(chǎn)制造方便等優(yōu)點(diǎn),。