基于单片机的恒流源.doc

随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已经成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格，发展空间等备受人们关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件就越优越，那么设备的寿命就更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需要越来越迫切。

电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出

了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、

功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V 的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。

当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流源方面特别是数控恒流源的技术菜刚刚起步有待发展，高性能的数控横流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。本数控直流恒流源系统输出电流稳定，不随负载和环境变化，并且有很高的精度，输出电流误差范围很小，输出电流可在一定范围内任意设定，因而可实际应用于需要稳定度小功率横流源的领域。

第一章绪论

1.1恒流源的意义

恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，一次恒流源的应用范

围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的。例如在通用的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电源就会相应的减少，为了保证恒流充电，必须随时提高充电器的输出电压，但采用恒流源充电后就可以不必调整期输出电压，从而使劳动强度降低，生产效率得到提高。恒流源还被广泛应用于测量电路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到广泛应用。

除此之外，现行扫描锯齿波的获得，有线通信工电源，电泳、点解、电镀等化学加工装置电源，电子束加工机、离子注入机等电子光化学设备中的供电电源也都必须用用恒流源！

1.2 恒流源的发展历程

1.2.1 电真空器件恒流源的诞生

世界上最早的恒流源，大约出现在20世纪50年代早期。当时采用的电真空器件是镇流管，优于镇流管有稳定电流的功能，所以有用于交流电路，常被用来稳定电子管的灯丝电流。

电子管通常不能单独作为横流元件，但可用它来构成各种横流电路。由于电子管是高雅小电流器件，因此用简单的晶体管电路难于获得高雅小电流恒流源，用电子管电路却容易实现，并且性能相当好！

122 晶体管横流源的产生和分类

进入60年代，随着半导体技术的发展，设计和制造出了各种性能优越的晶体管和恒流源，并在实际中获得可广泛的应用。

晶体管恒流源电路可封装在同一外壳内，成为一个具有横流功

能的独立器件，用它可构成直接调整型恒流源。用晶体管做调整元件的各种开环和闭环的恒流源，在许多电子电路中得到了应用。但晶体管恒流源的恒流源的电流稳定度一般不高，且最大输出电流也不活几安培。它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。

1.2.3集成电路恒流源的出现和种类

到了70年代，半导体集成技术的发展，使得恒流源的研制进入了一个新的阶段。长期以来采用分离元件组装的各种恒流源，现在可以集成在一块很小的硅片上面仅需外接少量的元件，集成电路恒流源不仅减小了体积和重量，简化了设计和调试步骤，而且提高了稳定性和可靠性。在各种恒流源电路中，集成电路恒流源的性能堪称最佳。

第二章系统原理及理论分析

2.1恒流实现原理

数模转换芯片 AD7543是12位电流输出型，其中 0UT1和

0UT2是电流的输出端。电流的输出级别可这样计算

DX= 212

式中：DX 是控制级数

电压u i 由集成运算放大器U8A 的1脚输出，根据T 型电阻网络型的 D/A 转换关系可知，u i 存在如下通式：

U i

（b n 」2心 b n/ 2心?……b i ? 2 b 。?

2°） R f —B 寧 （1）

2 * R 2 式中：U i ——输出电压（V ）

V REF --- 参考电压（V ）；

R ——T 网络电阻C 1）；

Rf --- 外接反馈电阻（门）。

电流放大电路存在如下关系：

| = _U i （ R 5 R ） b 「民 r 1）R 5 I L = I b 式中：lb ——基极电流（

Ui ——输入电压（V ）；

I L ——负载电流（mA ）

（2）

（3）

mA ）

由式（1）、（2）可得到:

亠R ? Rw） -：/ 4）

R4 （: 1）R5

由于电路中的放大系数［值远大于1,而R与R i保持恒定，所以可推出负载电流与输入电压存在如下关系：

W 斗（5）

R4

由式（5）、（1）可得到：

匚皿鹉（6）

2 R4

其中，K为比例系数

由式（6）可知，负载电流I L不随外部负载R L的变化而改变。当5保持不变时（即AD7543的输入数字量保持不变），输出电流I L维持不变，能够达到恒流的目的。为了实现数控的目的，可以通过微处理器控制

AD7543的模拟量输出，从而间接改变电流源的输出电流。从理论上来说，通过控制AD7543的输出等级，可以达到1mA的输出精度。但是本系统恒流源要求输出电流范围是20mA~2000mA，而当器件处于2000mA的工作电流时，属于工作在大电流状态，晶体管长时间工作在这种状态，集电结发热严重，导致晶体管1值下降，从而导致电流不能维持恒定。为了克服大电流工作时电流的波动，在输出部分增加了一个反馈环节来控制电流稳定，减小电流的波动，此反馈回路采用数字形式反馈，通过微处理器的实时采样分析后，根据实际输出对电流源进行实时调节。经测试表明，采用常用的大功率电阻作为采样电阻R o，输出电流波动比较大，而选用锰铜电阻丝制作采样电阻，电流稳定性得到了改

善。

2.2系统性能

本系统的性能指标主要由两大关系所决定，设定值与D/A采样

显示值（系统内部测量值）的关系。内部测量值与实际测量值的关

系，而后者是所有仪表所存在的误差。

在没有采用数字闭环之前，设定值与内部测量值的关系只能通

过反复测量来得出它们的关系（要送多大的数才能使D /A输出与设定电流值相对应的电压值），再通过单片机乘除法再实现这个关系，从而基本实现设定值与内部测量值相一致。但由于周围环境等因素的影响，使设定值与内部测量值的关系改变，使得设定值与内部测量值不一致，有时会相差上百毫安，只能重新测量设定值与A / D采样显示值的关系改变D / A入口数值的大小才能重新达到设定值与内部测量值相一致，也就是说还不稳定。

在采用数字闭环后。通过比较设定值与A /D采样显示值，得出

它们的差值，再调整D / A的入口数值，从而使A / D采样显示值逐步逼近设定值最终达到一致。而我们无须关心D / A入口数值的大小,从而省去了原程序中双字节乘除的部分，使程序简单而不受周围环境等因素的影响。

内部测量值与实际测量值的误差是由于取样电阻与负载电阻和晶体

管的放大倍数受温度的影响和测量仪表的误差所造成的，为了减少这种误差，一定要选用温度系数低的电阻来作采样电阻，因此本系统选用锰铜电阻丝来作采样电阻。