直流電流分析與測試裝置

在電子設(shè)備中經(jīng)常用到穩(wěn)定性好、精度高、輸出可預(yù)置的直流電流源。本文設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電流源能夠很好地降低因元器件老化、溫漂等原因造成的輸出誤差，輸出電流在20mA~2000mA可調(diào)，輸出電流可預(yù)置、具有"+"、"-"步進(jìn)調(diào)整、輸出電流信號(hào)可直接顯示和語音提示等功能。硬件電路采用凌陽單片機(jī)SPCE061A為控制核心，利用閉環(huán)控制原理，加上反饋電路，使整個(gè)電路構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)，在軟件方面主要利用PID算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制。該系統(tǒng)可靠性高、體積小、操作簡單方便、人機(jī)界面友好。

系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主要控制部件，通過鍵盤預(yù)置輸出電流值并采用液晶模塊實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)系統(tǒng)硬件部分由微控制器、電壓-電流轉(zhuǎn)換、鍵盤、顯示、直流穩(wěn)壓電源和語音提示等模塊組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

微控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。為了實(shí)現(xiàn)簡化硬件電路、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，便于實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)、鍵盤設(shè)置和信息的實(shí)時(shí)顯示等功能的協(xié)調(diào)，通過多種方案論證后，微控制器選用凌陽公司的SPCE061A，該單片機(jī)內(nèi)部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-Driver等電路(與IC型號(hào)有關(guān))。它采用精簡指令集(RISC)，指令周期均以CPU時(shí)鐘數(shù)為單位。另外，它還兼有DSP功能，內(nèi)置16位硬件乘法器和加法器，并配備有DSP擁有的特殊指令，大大加速了各種算法的運(yùn)行速度。同時(shí)可以在Windows環(huán)境下使用凌陽單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)工具，該工具支持標(biāo)準(zhǔn)C語言和凌陽單片機(jī)匯編語言，集匯編、編程、仿真等功能于一體，大大加快了軟件開發(fā)過程。用該單片機(jī)作為控制器比較合適，在硬件電路簡單的前提下，容易實(shí)現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換、語音提示、PID運(yùn)算等功能。

顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是顯示設(shè)置的電流輸出值和其它人機(jī)交互信息。本部分可以采用七段數(shù)碼LED顯示器，顯示數(shù)字、簡單字母和小數(shù)點(diǎn)等信息，但由于其顯示信息單一，人機(jī)交互不友好，本文采用字符型液晶顯示屏LCDSMC1602A模塊。該模塊具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無輻射、平面直角顯示及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)點(diǎn)，且可視面積大、面效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，適合用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等信息，而且不需要擴(kuò)展過多外圍電路，可由單片機(jī)直接進(jìn)行控制輸出顯示。

電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊由精密運(yùn)放與三個(gè)晶體管組成的達(dá)林頓管電路構(gòu)成。轉(zhuǎn)換電路利用晶體管平坦的輸出特性和深度負(fù)反饋電路使輸出電流穩(wěn)定，如圖2所示，此V/I轉(zhuǎn)換電路的帶負(fù)載能力強(qiáng)，電流輸出范圍達(dá)0~3A。輸出電流Io經(jīng)反饋電阻Rf得到一個(gè)反饋電壓Vf，Vf= V11-V12，通過R5、R6加到運(yùn)算放大器的兩輸入端，設(shè)運(yùn)放兩端的電為V1、V2，Vi由單片機(jī)DAC輸出。因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的輸入電流約等于零，且V1=V2，則:

V12[1-R6/(R2+R6)]+ViR6/(R2+R6)=V11R1(R1+R6)

由于V12 =V11-Vf，則:

V11R2/(R2+R6)+(ViR6-VfR2)/(R2+R6)=V11R1/(R1+R5)

令R1=R2=10kW，R5 =R6 =1kW，則有Vf=ViR6/R2=Vi/10

若暫不考慮反饋時(shí)，

Io=Vi/(10Rf)

由此可見，輸出電流的標(biāo)定由D/A轉(zhuǎn)換所得輸出電壓Vi和Rf的阻值決定，成線性變換。Rf由大線徑銅絲制作，其溫度系數(shù)很小(5ppm/℃)，大線徑可以使其溫度影響減至最小。3個(gè)三極管應(yīng)選用大功率管TIP122，且使用散熱片，以保證管子工作在線性區(qū)。

電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊還有另外一種方案，即采用三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成輸出電流可變的電流源，如圖3所示。輸出電流I=Vi/R1，為使R1兩端的電壓保持恒定，由差分放大器IC1b通過射隨器IC1c監(jiān)測R1兩端的電位，此電位經(jīng)IC1b的7腳加到比較器 ICa的反相輸入端與Vref比較，根據(jù)比較結(jié)果使比較器的輸出端變化，直到平衡為止，即Vr1=Vi。電路中的電容用于補(bǔ)償ICa的頻率，減少控制環(huán)路的延時(shí)。只要R1=R2=R3=R4=R5，此電路的性能較好，但帶負(fù)載能力不強(qiáng)，環(huán)路延時(shí)補(bǔ)償對(duì)電路的穩(wěn)定有較大影響。

系統(tǒng)鍵盤模塊可以采用獨(dú)立式或行列式(矩陣式)連接方式，該模塊主要完成對(duì)輸出電流和其它信息的設(shè)定。直流穩(wěn)壓電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電，語音模塊實(shí)現(xiàn)語音提示，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更具人性化，系統(tǒng)具有友好的工作界面。凌陽單片機(jī)內(nèi)部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF等模塊，語音功能可由軟件編程實(shí)現(xiàn)，不需要外接任何電路，有效利用了系統(tǒng)資源。

系統(tǒng)工作及軟件流程

通過以上對(duì)各模塊的分析，系統(tǒng)在工作過程中由SPCE061A單片機(jī)將被預(yù)置的電流通過換算進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，以輸出電壓驅(qū)動(dòng)V/I轉(zhuǎn)換電路，并將該電流對(duì)應(yīng)的電壓通過閉環(huán)回路，經(jīng)信號(hào)處理電路作A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)系統(tǒng)，通過PID算法調(diào)整電流輸出。整個(gè)系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在凌陽十六單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)工具unSPIDE1.16.1中進(jìn)行，采用凌陽單片機(jī)匯編語言和標(biāo)準(zhǔn)C語言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)各種功能。主要包括: (1)系統(tǒng)的初始化，包括各外圍接口設(shè)備的初始化;(2)鍵盤輸入;(3)D/A、A/D轉(zhuǎn)換; (4)PID算法進(jìn)行電流調(diào)整;(5)語音提示和電流顯示。其主程序流程如圖5所示。

A/D轉(zhuǎn)換部分程序主要用于將采樣電阻采集的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。采樣信號(hào)由IoA6輸入并直接送入緩沖器P_ADC_MUX_Data，在ADC自動(dòng)方式被啟用后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，此時(shí)RDY=0，DAC0的電壓模擬量與外部的采樣模擬量相比較，以盡快找出外部信號(hào)模擬量的數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在SAR內(nèi)。當(dāng)10位A/D轉(zhuǎn)換完成時(shí)，RDY=1，此時(shí)，通過讀P_ADC_MUX_Data單元，可以獲得10位A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。其IRQ1中斷服務(wù)程序的流程如圖6所示。

PID算法主要用于修正實(shí)際輸出的電流值和設(shè)定值的偏差，調(diào)節(jié)下一次的輸出值，使輸出更接近于設(shè)定值，提高精度。具體控制過程為:單片機(jī)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片讀出實(shí)際電流Ik,然后和設(shè)定的電流Is比較,得出偏差值Ek=Is-Ik，單片機(jī)根據(jù)Ek的大小，調(diào)用PID公式，計(jì)算出本次電流調(diào)節(jié)的增量ΔIk，然后根據(jù)前一次的D/A轉(zhuǎn)換輸出電流Iq-1,計(jì)算出本次的輸出電流Iq。

離散增量PID的計(jì)算公式為

ΔIk=Kp[(Ek-Ek-1)+K1Ek+KD(Ek-2Ek-1+Ek-2)]

=Kp(Ek-Ek-1)+K1'Ek+KD'(Ek-2Ek-1+Ek-2)

式中: K1'= Kp*K1, KD'=Kp * KD，Ek為本次采樣的電流誤差， Ek-1為上次采樣電流誤差， Ek-2為再次采樣電流誤差值。

為了測試系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性和可靠性，可以對(duì)設(shè)定量與反饋量進(jìn)行測試，誤差在0.01%之內(nèi)，并且運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的，還增添了特色的音頻播放設(shè)計(jì)。凌陽SPCE061A單片機(jī)在該系統(tǒng)中使用，使系統(tǒng)功能齊全、外圍電路簡單、輸出精確，軟件編程采用C和匯編混合編程來實(shí)現(xiàn)，集兩種優(yōu)點(diǎn)于一身，豐富了編程思想,體現(xiàn)了很大的優(yōu)越性。