数控直流电流源的设计

数控直流电流源的设计

1．设计思路

本设计以ATmega16L为核心，通过A/D、D/A转换、V/I转换及独特的算法实现高精度的，电流输出范围为20mA～2000mA的数控直流电流源。该电流源具有电流可预置，1mA步进，同时显示给定值和实测值等功能。

利用ATmega16L单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动压控恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路，作A/D转换反应到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片 TLC5618，直接输出电压值，且其输出电压能到达参考电压的两倍，A/D转换器选用高精度16位模数转换芯片AD7705。

采用19264D汉字图形点阵液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。

采用标准4X4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。

压控电流源模块方案

精密压控电流源是本数控电流源的关键之所在，针对设计要求和使用需求、结合设计思路，精密电流源模块必须具备以下指标：纹波小于2mA，误差小于0.1%，具有低的输出失调。基于稳定性要求和以上考虑，电流源电路选择了经典的压控电流源电路，它负责与后级扩流模块连接，用电压控制后者，而使用电流反应，这样可以保证有足够高的精度。该局部采用了高性能、低温漂、低失调的运算放大器OP77和精密元件组成，保证性能指标的良好发挥。

为了克服传统扩流电路在高精度、高稳定性要求下的缺陷，追求一种精度高、稳定性好、对前级影响小的扩流电路，受到S类功率放大器的启发，本设计率先把S类放大器优秀的电压跟随器原理引入电流源电路之中。

系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用5V稳压电源，运放需要±12V 稳压电源，同时题目要求最高输出电流为2000mA，电源需为系统提供足够大的稳定电流。综上所述，采用三端稳压集成7805、7812、7912分别得到+5V和±12V的稳定电压，利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。

图1 总的设计原理框图

单片机最小系统设计

采用ATmega16L为控制模块核心。其单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过JTAG调试接口将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和本钱低等优点。

在本设计系统中的主要作用是：通过键盘模块输入给定的电流值或是步进调整信号传送给单片机，单片机在接受到信号后进行处理运算，并显示其给定的电流值，然后经D/A转换以输出电压，驱动压控电流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电流经过A/D转换输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出，并驱动显示器显示当前的电流值。其电路如图2所示：

图2 单片机最小系统电路图

在本设计中，使用标准的4x4键盘，可以实现0～9数字输入，“+〞、“-〞、“设置〞。其电路如图3所示：

图3 键盘的电路图

本设计采用RT19264D STN型汉字图形点阵液晶显示模块，与单片机接口采用8位并行接法，用于显示设定值与当前测量值。其电路如图4所示：

图4 液晶显示器电路图

A/D 转换器选用双通道16位AD 转换器AD7705。其串行数据接口包括5个：片选输入口 ，串行施密特逻辑输入时钟SCLK ，数据输入口DIN ，转换数据输出口DOUT ，指示数据准备就绪的状态信号输出口。对于D/A 转换器，由于设计根本要求，电流的输出范围为20mA ～2000mA ，将最高输出电流2000mA 进行十进制～二进制转换有：102(2000)(11111010000) ，要满足步进为1mA 的要求，需选用十二位的D/A 转换器，TLC5618是较好的选择。其电路如图5所示：

图5 A/D 与D/A 转换器电路图

通过该电路把电压转换成恒定电流输出。其电路如图6所示：

图6 压控电流源电路图

其电路图如图7所示：

图7 扩流单元电路图

在本设计中,运放需±12V供电，单片机和A/D、D/A需5V供电，采用三端稳压器7805、7812、7912构成一稳压电源。电路如图8所示：

图8稳压电源电路图

4.小结

本系统以单片机ATmega16L为核心部件，利用A/D进行数值采集，D/A补偿等技术结合并配合补偿算法实现了题目中要求的精度。在系统设计过程中，力求硬件电路参数合理，线路简单，发挥软件编程灵活的特点，可以通过屡次的调试，不断提高系统的精度和电流的稳定性，来满足系统设计的要求。由于时间关系，该系统还有许多值得改良的地方。在本次设计的过程中，遇到了许多困难和意料之外的事情，设计进度比拟慢，但通过仔细的分析和进行多方面的调整后解决了问题。我自认为从中提高了自身的综合能力。在此，感谢指导老师对我的帮助，谢谢。