基于MSP430的低功耗数控直流电流源设计

基于MSP430的低功耗数控直流电流源设计
胡明，孙卫兵，任子晖
中国矿业大学，江苏徐州（221008）
E-mail：huming-888@
摘要：本系统设计实现了数控直流电流源，以超低功耗MSP430控制器为核心，控制16位数模转换器和MAX196模数转换器，实现步进为1mA，在0～2000mA范围内可任意设定的恒流源。

系统由可控电源，恒流源，数据采集三大部分构成外围反馈连接，其中在恒流源电路中采用了16位DAC输出与采样电压的比较反馈，通过MSP430输出的PWM信号与外围的两个嵌套反馈实现高精度、低功耗、低纹波的恒流输出。

关键词：MSP430，恒流源，反馈，可控电源
1. 总体设计
系统框图[1]如图1，考虑系统的速度和精度本方案采用MSP430[2]作为控制机，电流预置信号通过键盘输给MSP430后通过D/A芯片传给电流源。

数据采集系统对精密采样电阻进行采样后通过两级放大电路传给MSP430和比较器，一方面由MSP430将采样值与预置电流值比较后控制可控电压源，使系统的供电满足要求的同时能保证系统的功耗最小；另一方面通过比较器和电流源电路形成深度负反馈，调节采样电阻上的电流使其与预置电流值相等。

这种方案的精度很高，所含纹波较小，而且采用可调电源为恒流源供电，减少了系统的功耗，能源利用率高。

2. 硬件设计
2. 1 数控部分的设计与实现
根据系统要求，输出电流范围为0mA～2000mA，步进1mA，若要满足要求，则需要D/A芯片的精度为1980，则需要11位的D/A采样芯片即可满足要求，考虑到D/A芯片调节的精度和系统的整体要求，我们在方案中选择采用两个DAC0832芯片的并联，形成16位的D/A转换系统。

电流预置信号通过MSP430送入两片DAC0832 D/A芯片，其中DAC0832_A作为D/A 转换的高八位；DAC0832_B作为D/A转换的低八位接入求和电路，两个芯片的输出值通过加法器形成16位的D/A转换系统，提高了系统的转换精度。

在求和电路之后的分压电路，把信号分成不大于1V的电压，输入给恒流源控制电路（见图2）。

图1 系统原理框图
图2 D/A转换电路
2. 2数据采集系统的设计与实现
数据采集系统包括两级放大电路和A/D转换两部分。

其中放大电路由OP07构成，A/D 转换采用了12位精度的MAX196芯片。

用MAX196进行A/D转换时精度就不是很好，为了保证采样电流在较大和较小时A/D转换都由较高的精度，本方案在A/D转换前加入了两路的放大通道，根据MAX196的5V、10V两级电压采样自动切换匹配提高采样的精度。

采样档的通道变化与采样电流的关系如下：
当采样电流在2A～1A之间时，采样电压范围1V～0.5V，此时采用放大十倍通道，MAX196的10V电压采样档。

当采样电流在1A～0.4A之间时，采样电压范围0.5V～0.2V，此时采用放大十倍通道，MAX196 5V电压采样档。

当采样电流在0.4A～0.2A之间时，采样电压范围0.2V～0.1V，此时采用放大50倍通道，MAX196 10V电压采样档。

当采样电流小于0.2A时，采样电压小于0.1V，此时采用放大50倍通道，MAX196 5V 电压档。

以上通道切换由MSP430自动实现，提高了数据采集的精度。

2. 3 恒流源供电电源部分的设计与实现
本方案为了减小系统的功耗，恒流源部分采用PWM模拟稳压两用电源供电，其电路图如图3所示。

图3 PWM模拟稳压两用电源
图4恒流源电路图
此PWM模拟稳压两用电源[3]采用反馈控制，当工作于PWM方式时，MSP430控制系统监测V out电压值，依据V out的变化调整控制信号的占空比，当对电源利用率有要求时使用此方式可以提高电源利用率。

当此电源模块工作与模拟稳压方式时，当V out变化时，系统通过J1、J2、J3与相关电阻配合，追踪V out使之保持稳定。

在纹波要求较高的时候采用此方式供电。

在纹波要求低的时候以电源利用率为主要考虑因素。

2. 4 输出部分的设计与实现
为了实现输出电流的实时监控调整，本方案采用了由运算放大器和MOS晶体管组成的具有深度负反馈的电流源控制电路。

其原理图如图4所示。

比较器选用LM358比较器，MOS晶体管选用IRFP450A 晶体管。

由MOS晶体管的工作原理[3]可知，当外加较小的vds时，漏极电流id将随vds上升迅速增大，当vds增加倒一定数值，靠近漏端被夹断，vds继续增加将形成一夹断区，此时id进入恒流区，趋于饱和，此时MOS晶体管具有稳流作用。

而MOS晶体管工作在恒流区时管子处于截止状态，有效地阻止了供电电源带来的纹波。

运放LM358和IRFP450A晶体管之间构成深度负反馈，环路增益很大。

当采样电阻上的采样信号与预置信号通过比较器进行比较，当两者不相等时，比较器输出信号使MOS晶体管处于导通状态，采样电阻上的电流增加，直到采样信号与预置信号相等，此时比较器的输出使MOS晶体管处于截止状态，电流保持恒定。

3. 软件设计
本系统通过键盘把预置电流值送给MSP430，预置电压通过MSP430传送给两片级联的D/A芯片，经过D/A转换得到相应的电压值，经过分压送给比较器，这里由于考虑此电压便于通过比较器与采样所得电压比较，用分压电路把比较器输入端分成不大于1V的电压，采样电阻阻值为0.5Ω，这样当分压后的电压为最大值1V时，采样电流为2A。

通过采样得到的采样电压值分别送给比较电路和放大电路，在比较电路内与预置电流D/A转换分压后得到的电压值进行比较，通过比较结果控制恒流源电流的工作状态，利用恒流源电路本身的深度负反馈调节测量点电流的大小，使其与预测值相等。

送往放大电路的采样值通过12位A/D转换后输入给MSP430，在MSP430内部进行换算后与预置电流值比较，通过比较结果控制PWM调制信号的占空比，用以调整MOS管漏极电压（即恒流源系统得供电电压），使其稳定工作在恒流区，保证电流源电路的稳定。

4. 系统测试及结果分析
表一 带负载0.526Ω时的测量参数
1 2 3 4 5 6 8 9 10 预置电流/ mA
200 400 600 800 1000 1200 1600 1800 2000 显示
值 输出电流/
mA 195 396 596 799 1001 1200 1601 1800 2000 实测电压/
V
0.0977
0.1982
0.2981
0.3997
0.5008
0.6010
0.8034
0.9013
1.0004
测量
值 纹波电压/
mV 0.08 0.09 0.08 0.10 0.09 0.09 0.08 0.10 0.09 实际电流/mA
195.4 396.4 596.2799.41001.6 1202.0 1606.8 1802.6 2000.8
计算
值 纹波电流
/mA
0.152 0.171 0.152
0.190
0.171
0.171
0.152
0.190 0.171
表二 带载系统性能误差
预置电流/ mA 200 400 600 800 1000 1200 1600 1800 2000 误差/ %
1 1 0.6 0.125 0.1 0 0.06 0 0
通过系统的测试结果及误差分析可知，本系统可在0～2000mA 内实现步进为1mA ，纹
波电流≤0.2mA 并且误差在要求范围之内。

参考文献
[1] 李小松, 一种简易数控直流电流源的设计[J], 科技情报开发与经济,2006年第16卷第15期：280-281
[2] 胡大可,MSP430系列FLASH 型超低功耗16位单片机[M], 北京:北京航空航天大学出版社 ,2001. [3] 童白诗, 华成英 模拟电子技术基础[M] 北京: 高等教育出版社,2004.
Design of a Low Power MSP430-Based Constant-Current
Source System
Hu Ming，Sun Weibing，Ren Zihui
School of Information and Electrical Engineering，CUMT，Xuzhou，Jiangsu（221008）
Abstract
This system introduces the design of controllable constant-current source based on MSP430. The MSP430 is used to control two D/A and A/D, which makes sure the system outputs an adjustable and constant current. One can randomly set current value between 0 mA and 2000mA by the keyboard or set by step. The step of current adjustment can be available 1mA at least. The system consists of three main parts, controllable power supply, constant-current source , data-sampling , which all form the connection of outer circle feedback .Inside the constant-current source part ,a 16-bit DAC is included to form a second outer feedback, by the output of MSP430 PWM and the two outer feedbacks ,we can realize the high-precision,low power and low ripple current source .
Keywords：MSP430，Constant-current source，Feedback，Controllable power supply
作者简介：
胡明，1982年出生，男（汉），江苏徐州人，在读硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统设计；
任子晖，1962年出生，男（汉），天津人，教授，博导。

主要从事检测技术与自动化装置的研究；
孙卫兵，1983年出生，男（汉），安徽铜陵人，在读硕士研究生，研究方向：嵌入式系统设计。