1 設計任務
設計并制作數(shù)控直流電流源,。輸入交流200～240V,，50Hz；輸出直流電壓≤10V,。原理框圖如1所示,。
要求：輸出電流范圍：200mA～2000mA；可設置并顯示輸出電流給定值,，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值≤給定值的1％+10mA,；具有步進調整功能,，步進≤10mA；紋波電流≤2mA,；改變負載電阻,，輸出電壓在10V以內變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1％+10mA,。
2 系統(tǒng)設計方案
鑒于目前數(shù)控直流源一般采取運放構成的電流-電壓轉換電路與單片機結合,，設計方案大多為開環(huán)系統(tǒng)，主控制器僅用于數(shù)字給定及顯示,，沒有對輸出電流進行檢測和控制,。本文在傳統(tǒng)電路設計的基礎上，利用控制系統(tǒng)中反饋與控制原理,，引入電流負反饋,，在采樣電阻上獲取和電流成正比的采樣電壓，并接人運算放大器的反向輸入端,，實現(xiàn)負反饋,，形成恒流輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)；軟件方面,，將具有全局尋優(yōu)能力但收斂速度慢的遺傳算法和具有收斂速度快且局部尋優(yōu)能力強的直接搜索法結合在一起,，設計基于遺傳算法和直接搜索策略的混合優(yōu)化算法，充分利用了遺傳算法的全局搜索能力并以此作為優(yōu)化過程的“粗調”,，同時利用直接搜索法良好的局部搜索能力作為優(yōu)化過程的“微調”,，集中了兩者的優(yōu)點，而克服了兩者的弱點,，得到的目標函數(shù)值較遺傳退火策略更優(yōu),，而且一致性更好，用于PID參數(shù)整定是具有整定速度快,，調節(jié)時間短,，穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點。同時結合PID算法,，形成軟件閉環(huán),，實現(xiàn)對輸出電流的精確控制。
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系統(tǒng)工作原理如下：由鍵盤預置電流值,，輸入到單片機,；采樣電阻采集的電流信號經(jīng)A／D轉換器送入單片機，當兩值之差絕對值為零或不大于設定值時,，不作任何調整,；當兩值之差大于設定值時，運用PID算法進行調整,，送人D／A轉換,，調整輸出電流,，直到差值在允許的范圍內。單片機控制液晶顯示電流的設定值,、實際輸出值和電流步進值,。其原理示意圖如2所示。
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3 硬件電路設計
數(shù)控直流電流源由自制電源電路,、鍵盤輸入電路,、顯示電路、單片機最小系統(tǒng),、D／A轉換電路,、恒定電流源電路、A／D轉換電路和輸出電流采集等模塊電路組成,。
3.1 采用比較適合的新型的Atmega128單片機
目前大多數(shù)控恒流源設計方案是以51系列單片機作為電流源控制器,，該系列單片機性價比高，接口電路開發(fā)成熟,，應用廣泛,。但執(zhí)行速度慢，集成的電路穩(wěn)定性差,，且容易受干擾,，內部沒有看門狗電路，容易死機,，沒有集成A／D,、D／A轉換芯片。與51系列單片機相比,，ATmega128具有高速運行處理能力,，電路穩(wěn)定性好，內部有可編程帶內部振蕩器的看門狗定時器,，帶有8通道單端或差分輸入的10位A／D轉換芯片,。本系統(tǒng)選用ATmega128作為電流源控制器，使用高精度,、具有比較匹配中斷功能的定時器,，實現(xiàn)高精度的PID算法。
控制器主要實現(xiàn)以下功能：(1)控制鍵盤輸入電流設定值,；(2)控制A／D轉換電路把實測電流值轉換成數(shù)字量,；(3)比較電流設定值與實測值的大小，根據(jù)比較結果,，用PID算法進行調整；(4)控制D／A轉換電路把調整好的數(shù)字電流量轉換為模擬電壓量,；(5)顯示設定電流值,、實測電流值和步進電流值,；(6)記錄故障持續(xù)時間。
3.2 恒定電流源設計
本設計采用集成有運放的線性恒流源,。電路由兩個低漂移運放LM358,、晶體管TIP41C、負載電阻R,、限流電阻R3和直徑為1mm康銅絲繞制成的電流反饋采樣電阻RF組成,，如圖3所示。
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采樣電阻Rf將電流信號以電壓的形式加到運放的輸入端,，構成電流并聯(lián)負反饋電路,，減輕后級電路對D／A的影響，同時可以得到恒流輸出,，使電流源具有較好的穩(wěn)定性,。TIP41C是大功率晶體管，工作在線性放大區(qū)時,，最大集電極電流為4 A,，放大倍數(shù)為20～70倍。
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負載電流僅由輸入電壓決定,，而與負載R的大小無關,。由于運放電源的限制，負載只能在一定范圍內變化,。當輸入電壓不變時,，負載電阻在一定范圍內變化，輸出電流將保持不變,，構成恒流源電路,。
本方案的另外一個特色是，采用康銅絲組成采樣電阻,，康銅絲的溫度系數(shù)為5ppm／℃,，通過電流時引導起的溫度升高對其電阻阻值并不會有太大影響，溫度特性好,，同時采用反向對稱繞法把其繞制成空心繞線電阻,，以減少繞制電阻時產(chǎn)生附加的電感，達到減少紋波電流的目的,。為保證足夠的V-I轉換精度,，電路中各電阻應選用精密電阻。
3.3 A／D轉換器設計
本系統(tǒng)的電流測量部分由12位A／D芯片TLC2543構成,，該芯片是一種12位開關電容逐次逼近A／D轉換器,，芯片共有11個模擬輸入通道。芯片的串行三態(tài)輸出數(shù)據(jù)端、輸人數(shù)據(jù)端,、輸入／輸出時鐘3個控制端能形成與微處理器之間數(shù)據(jù)傳輸較快和較為有效的串行外設接口,。12位A／D可以達到該系統(tǒng)的1％+1mA的精度要求。
3.4 聲光報警電路
數(shù)控直流電流源有過流保護功能,，即當實際電流輸出超4000mA,，可實現(xiàn)報警，并使輸出電流降為0mA,。
3.5 自制電源模塊設計
本設計需要12V及5V直流電壓,。整個系統(tǒng)的電壓外接220 V交流電壓，將外接電壓通過整流變壓器得到15 V左右交流電壓,，再經(jīng)過電橋整流得到直流電壓,，15 V直流電壓經(jīng)過電容的濾波，然后再通過三端穩(wěn)壓塊7805轉換得到5 V電壓,，通過三端穩(wěn)壓塊7812得到12 V電壓,。