CN101424951A

CN101424951A - 一种低成本高精度数控恒流源

Info

Publication number: CN101424951A
Application number: CNA2008102198187A
Authority: CN
Inventors: 焦楚杰; 谈剑超; 蒋国平
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2009-05-06

Abstract

本发明公开了一种低成本高精度数控恒流源，它包括电流源模块、人机接口模块和单片机控制模块，所述各模块之间电联接；本恒流源利用专用集成电路实现了一种压控电流源，并通过单片机控制高精度PWM实现D/A转换控制电压输出来实现电流数字控制，而且只需通过开环控制调节就可以实现对输出电流的精确控制，这种方法设计的电流源性能稳定、带负载能力强。

Description

一种低成本高精度数控恒流源

技术领域

本发明涉及一种数控恒流源电路，特别是涉及一种低成本高精度数控恒流源。属于电工电子产品领域。

背景技术

随着电子技术的深入发展，各种智能仪器越来越多，涉及领域越来越广，而仪器对电源的要求也越来越高。现今，电源设备都朝着数字化方向发展。然而市面上能见到的绝大多数数控电源的设计是通过高位数的A/D和D/A芯片来实现的，这虽然能获得较高的精度，但也使得成本大为增加，而且电流输出的模拟电路无非是使用运放加三极管输出(《计算机控制技术与应用》刘国荣，机械工业出版社；《Atmega8原理应用手册》马潮，清华大学出版社)。电流输出的整个量程范围内的精度都是由软件控制实现(一种电流源的设计方法王海永、吴南健、寿国梁专利号：200510112584.2；一种一路参考电流驱动多路并联LED的电流源电路孙洪军，吴珂专利号：200610127716.3；具有EEPROM单元的恒定电流源T·泽特勒专利号：96194089)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本高精度数控恒流源。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现。

一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：它包括电流源模块、人机接口模块和单片机控制模块；所述的电流源模块包括XTR110电流环专用集成电路和调整管，所述XTR110电流环专用集成电路的内部带有+10V基准电压为输入端提供基准，并且实现多种控制电压输入，适应不同控制电压需要，电路还自带输出量程和零位调整，实现整个控制电流范围内的线性调整，输出电流不受负载电阻控制而只受给定电压Vin影响，即为压控电流源，也就是实现了电压到电流的转换，因此，我们可以利用单片机通过PWM转换来控制控制电压就可以控制输出电流大小，由于使用了专用集成电路，使恒流源在负载变化较大范围内输出电流都具有高稳定度；所述的人机接口模块包括小键盘电路和液晶显示电路；所述单片机控制模块包括由MEGA8单片机作为控制中心的控制模块、通过ATMEGA8单片机片内的一个具有16位PWM功能的定时/计数器来产生PWM波形的PWM功能模块、由二阶RC低通无源滤波器构成的滤波电路(PWM波产生后不能直接用于控制金氧半场效晶体管<MOSFET>，需把其变成能随占空比变化而变化的直流电压，选用二阶RC低通无源滤波器则取得了良好的效果。由于无源滤波器的负载能力差，信号经过二阶无源滤波网络后衰减比较厉害，按照理论和实际经验需要增加一级功率放大电路，但本设计中电流环IC中已经包含了运算放大，所以经过二阶RC低通无源滤波器后可以直接输出给XTR110，这也是本设计的特点之一。)、开关电源模块、系统稳压模块和性能分析与测试模块；所述小键盘电路接MEGA8单片机的PD4、PD5脚，液晶显示电路接MEGA8单片机PC0—PC5脚；MEGA8单片机的PB1输出的PWM信号接二阶RC低通无源滤波器，输出的直流信号接电流源模块XTR110的5脚；MEGA8单片机使用内部振荡器提供基本运行条件；通过MEGA8单片机内部自带的10位PWM转换输出经RC低通无源滤波器滤波后作D/A转换来输出电压控制参数控制压控电流源；所述性能分析与测试模块为一仿真电路，压控电流源电路通过仿真软件进行仿真并经过对制作出的样机进行实际的测试，当给定某一设定的电流值时，输出电流稳定且误差控制在1％以内；本恒流源中的电流输出由调整管驱动输出。

所述调整管采用大功率场效应管IRF9540。采用该场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流最大达到1A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。若XTR110的5脚接地，4脚输入则输入电压为0-10V，若Rext电阻改为0.1欧，输出电流范围变成0-10A而无须改变电路形态和元件，十分灵活；另外还可以把这个电路直接做成模块外接引线，即可变成一个灵活而高精度的V/I模块。再配合其他控制电路(甚至是手动控制电路)即可快速生产出适合要求的恒流源。

所述液晶显示电路由LCD1602构成。

为了节省单片机的I/O口和降低PCB电路板布线的难度，所述LCD1602液晶显示电路采用4线制方式，即液晶显示电路D0～D3双向数据线空着不用，只用D4～D7四条双向数据线，RS寄存器选择和E使能端的引脚接单片机，RW读写信号线引脚接地。

所述开关电源模块为LM2596-ADJ可调电压开关电源，该LM2596-ADJ可调电压开关电源输出的24V接XTR110电流环专用集成电路的16脚。LM2596-ADJ可调电压开关电源的开关频率150KHZ，电压调整范围从1.2V—37V。V/I转换中的功率放大部分需要一开关电源，利用LM2596-ADJ自制24V稳压电源，能够提供3A电流，用LM2596-ADJ制作电源结构简单效率高(79％)制作容易。

所述系统稳压电源采用线性集成稳压器LM7805制作系统所需的稳压电源5V，该稳压电源5V输出接单片机的7脚和LCD1602液晶显示电路的2脚。还连接散热风扇的正极。

小键盘电路中的键盘设计仅为2个按键，按键分别担任电流加、减，当长按某个按键并且电流累计超过200mA时实现快速步进。

所述的控制模块还包括驱动电路和散热风扇，特设定当电流输出超过800MA时启动一个散热风扇对对场效应管IRF9540进行散热；所述单片机的PBO脚输出高电平外加三极管放大后连接散热风扇；所述稳压电源5V输出接散热风扇的正极。散热风扇有利于电流的稳定的同时还可以减少散热器的面积，实现小型化。

所述的单片机控制模块中写有控制程序，所述的PWM波形的频率为28.8kHz；本恒流源控制电流范围在0-1A。本系统N取256，PWM波频率为28.8kHz，频率高有利于RC滤波。

它还包括机壳，按键和液晶显示电路中的显示屏分别嵌装在机壳上，所述各模块均设置在一电路板上，所述电路板安装在机壳内。

所述的控制程序采用BASIC语言编写，并编译成单片机需要的HEX运行文件。

所述BASIC语言编写控制程序以及编译程序均采用BASCOM-AVR编译环境进行。

本发明设计创新性地采用了高性能单片机ATMEGA8，控制仪用电流环转换电路实现了数字控制直流电流源。其电路组成主要由单片机控制电路、显示电路、D/A转换、电流环电路、等部分组成。该电流源电路利用专用电流环集成电路实现压控电流源，并通过单片机控制PWM转换控制电压输出来实现电流数字控制，能够精确实现0～1A恒流。由于本设计的电路特点，电流的精度和线性度不依赖单片机控制电路，无需电流检测控制电路、闭环控制、PID调节等来实现对输出电流的精确控制，因此大大减轻控制电路的设计成本。这种方法设计的电流源性能稳定、带负载能力强，可以通过按键来实现对输出电流的调节。

本发明的低成本高精度数控恒流源能广泛应用于实验室、电厂的DCS、DEH控制系统中的调试通道、现场设备中以及一些需要通过电流调整控制设备上。

附图说明

图1是本低成本高精度数控恒流源的系统框图；

图2是本低成本高精度数控恒流源的电流源模块图；

图3是本低成本高精度数控恒流源的电流源设计电路图；

图4是本低成本高精度数控恒流源的二阶RC低通无源滤波器电路图；

图5是本低成本高精度数控恒流源的系统稳压电源电路图；

图6是本低成本高精度数控恒流源的仿真电路图；

图7是图6的仿真电路效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-7所示是本发明的一种低成本高精度数控恒流源，一种低成本高精度数控恒流源，它包括电流源模块、人机接口模块和单片机控制模块；

所述的电流源模块包括XTR110电流环专用集成电路和大功率场效应管IRF9540调整管；

所述的人机接口模块包括小键盘电路和LCD1602构成的液晶显示电路，为了节省单片机的I/O口和降低PCB电路板布线的难度，所述LCD1602液晶显示电路采用4线制方式，即液晶显示电路D0～D3双向数据线空着不用，只用D4～D7四条双向数据线，RS寄存器选择和E使能端的引脚接单片机，RW读写信号线引脚接地；

所述单片机控制模块包括由MEGA8单片机作为控制中心的控制模块、通过ATMEGA8单片机片内的一个具有16位PWM功能的定时/计数器来产生PWM波形的PWM功能模块、由二阶RC低通无源滤波器构成的滤波电路、开关电源模块、系统稳压模块和性能分析与测试模块；

所述小键盘电路接MEGA8单片机的PD4、PD5脚，液晶显示电路接MEGA8单片机PC0—PC5脚；MEGA8单片机的PB1输出的PWM信号接二阶RC低通无源滤波器，输出的直流信号接电流源模块XTR110的5脚；

MEGA8单片机使用内部振荡器提供基本运行条件；

通过MEGA8单片机内部自带的10位PWM转换输出经RC低通无源滤波器滤波后作D/A转换来输出电压控制参数控制压控电流源；

所述开关电源模块为LM2596-ADJ可调电压开关电源，该LM2596-ADJ可调电压开关电源输出的24V接XTR110电流环专用集成电路的16脚，LM2596-ADJ可调电压开关电源的开关频率150KHZ，电压调整范围从1.2V—37V，V/I转换中的功率放大部分需要一开关电源，利用LM2596-ADJ自制24V稳压电源，能够提供3A电流，用LM2596-ADJ制作电源结构简单效率高(79％)制作容易；

所述系统稳压电源采用线性集成稳压器LM7805制作系统所需的5V稳压电源，该稳压电源5V输出接单片机的7脚和LCD1602液晶显示电路的2脚，还连接散热风扇的正极；

所述性能分析与测试模块为一仿真电路，压控电流源电路通过仿真软件进行仿真并经过对制作出的样机进行实际的测试，当给定某一设定的电流值时，输出电流稳定且误差控制在1％以内，测试结果见表1：

表1

设定值mA	毫安表读数mA	误差％
设定值mA	毫安表读数mA	误差％	10	10	0.0％
50	51	1％	10	10	0.0％
50	51	1％	100	101	1％
200	199	1％	100	101	1％
200	199	1％	300	300	0％
400	401	1％	300	300	0％
400	401	1％	500	500	0％
600	600	0％	500	500	0％
600	600	0％	700	699	1％
800	799	1％	700	699	1％
800	799	1％	900	900	0％
1000	1001	0.1％	900	900	0％

所述小键盘电路中的键盘设计为2个按键，按键分别担任电流加、减，当长按某个按键并且电流累计超过200mA时实现快速步进；

所述的控制模块还包括驱动电路和散热风扇，特设定当电流输出超过800MA时启动一个散热风扇对对场效应管IRF9540进行散热；所述单片机的PBO脚输出高电平外加三极管放大后连接散热风扇；所述稳压电源5V输出接散热风扇的正极。散热风扇有利于电流的稳定的同时还可以减少散热器的面积，实现小型化；

本恒流源中的电流输出由调整管驱动输出；

所述的单片机控制模块中写有控制程序，所述的PWM波形的频率为28.8kHz；本恒流源控制电流范围在0-1A。本系统N取256，PWM波频率为28.8kHz，频率高有利于RC滤波；

它还包括机壳，按键和液晶显示电路中的显示屏分别嵌装在机壳上，所述各模块均设置在一电路板上，所述电路板安装在机壳内；

所述的控制程序采用BASIC语言编写，并编译成单片机需要的HEX运行文件；

本恒流源利用专用集成电路实现了一种压控电流源，并通过单片机控制高精度PWM实现D/A转换控制电压输出来实现电流数字控制。只需通过开环控制调节就可以实现对输出电流的精确控制。这种方法设计的电流源性能稳定、带负载能力强。

Claims

1.一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：它包括电流源模块、人机接口模块和单片机控制模块；所述的电流源模块包括XTR110电流环专用集成电路和调整管；所述的人机接口模块包括小键盘电路和液晶显示电路；所述单片机控制模块包括由MEGA8单片机作为控制中心的控制模块、通过ATMEGA8单片机片内的一个具有16位PWM功能的定时/计数器来产生PWM波形的PWM功能模块、由二阶RC低通无源滤波器构成的滤波电路、开关电源模块、系统稳压模块和性能分析与测试模块；所述小键盘电路接MEGA8单片机的PD4、PD5脚，液晶显示电路接MEGA8单片机PC0—PC5脚；MEGA8单片机的PB1输出的PWM信号接二阶RC低通无源滤波器，输出的直流信号接电流源模块XTR110的5脚；MEGA8单片机使用内部振荡器提供基本运行条件；通过MEGA8单片机内部自带的10位PWM转换输出经RC低通无源滤波器滤波后作D/A转换来输出电压控制参数控制压控电流源；所述性能分析与测试模块为一仿真电路，压控电流源电路通过仿真软件进行仿真并经过对制作出的样机进行实际的测试，当给定某一设定的电流值时，输出电流稳定且误差控制在1％以内；本恒流源中的电流输出由调整管驱动输出。

2.根据权利要求1所述的一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：所述调整管采用大功率场效应管IRF9540。

3.根据权利要求1所述的一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：所述液晶显示电路由LCD 1602构成。

4.根据权利要求3所述的一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：所述LCD 1602液晶显示电路采用4线制方式，即液晶显示电路D0～D3双向数据线空着不用，只用D4～D7四条双向数据线，RS寄存器选择和E使能端的引脚接单片机，RW读写信号线引脚接地。

5.根据权利要求1所述的一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：所述开关电源模块为LM2596-ADJ可调电压开关电源，该LM2596-ADJ可调电压开关电源输出的24V接XTR110电流环专用集成电路的16脚。

6.根据权利要求4所述的一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：所述系统稳压电源采用线性集成稳压器LM7805制作系统所需的稳压电源5V，该稳压电源5V输出接单片机的7脚和LCD 1602液晶显示电路的2脚。还连接散热风扇的正极。

7.根据权利要求4所述的一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：小键盘电路中的键盘设计仅为2个按键，按键分别担任电流加、减，当长按某个按键并且电流累计超过200mA时实现快速步进。

8.根据权利要求6所述的一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：所述的控制模块还包括驱动电路和散热风扇，特设定当电流输出超过800MA时启动一个散热风扇对对场效应管IRF9540进行散热；所述单片机的PB0脚输出高电平外加三极管放大后连接散热风扇；所述稳压电源5V输出接散热风扇的正极。

9.根据权利要求1所述的一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：所述的单片机控制模块中写有控制程序，所述的PWM波形的频率为28.8kHz；本恒流源控制电流范围在0-1A。

10.根据权利要求7所述的一种低成本高精度数控恒流源，其特征在于：它还包括机壳，按键和液晶显示电路中的显示屏分别嵌装在机壳上，所述各模块均设置在一电路板上，所述电路板安装在机壳内。