高精度数控恒流源设计与实验

高精度数控恒流源设计与实验作者：余金栋

来源：《数字技术与应用》2020年第03期

摘要：采用TL082集成运放和IRF640大功率场效应管构成恒流源主电路，以AT89C51单片机、4*4键盘、液晶显示器和12位A/D、D/A转换器构成数字控制系统，合理计算反馈电路的参数，实现高精度控制输出电流并进行测量。试验表明，电流在20mA～2000mA范围内可1mA步进或随机预置，控制和测量误差达到0.1%+3个字。

关键词：恒流源;数字控制;场效应管;A/D;D/A

中图分类号：TN709 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）03-0005-02

0 引言

在仪器仪表中常需要用到高精度数字控制恒流源，主要表现在输出电流范围大，步进电流分辨力高[1]。本文的目标是以200～240V、50Hz交流电源为输入，设计输出电流20mA～2000mA，步进1mA，电压≤10V的恒流源电路。为此，基于集成运放和调整管构成的负反馈恒流源电路，合理计算电路参数，并设计由控制器、键盘、显示器和数模、模数转换器构成的控制、测量方案，达到给定电流值即能数字化控制输出需要的电流并进行测量的目的，同时满足测量误差的绝对值≤测量值的0.1%+3个字的要求。

1 系统方案设计

系统组成如图1所示，采用单片机作为控制器，接收用户从键盘输入的电流预置值，控制D/A转换器输出电压信号Ui，作为恒流源电路的控制电压，实现数控输出恒定电流到负载。电流通过采样电阻转化为电压，经A/D转换送回控制器，计算处理后由LCD显示实际电流值。

1.1 控制电路设计

控制器选用AT89C52型号单片机，通过P0口驱动键盘，P3.5～P3.7和P2驱动LCD显示器，P1口驱动A/D转换和D/A转换电路，如图2所示。其中LCD1602可模块显示汉字、数字、字母符号，4*4矩阵式键盘通过行、列扫描识别按键动作从而设置电流值，16个按键定义为0～9数字、+、-、确定、取消以及光标左移、右移功能键，支持随机输入和步进调整电流给定值。单片机接收到电流给定值时经D/A转换器输出控制电压，控制恒流源电路输出电流，对采样电阻的电压进行A/D转换，显示电流实测值。

1.2 恒流源电路的组成原理

利用集成运放和调整管组成恒流源电路，如图3所示。其中集成运放采用TL082，具有低功耗、共模和差分电源范围宽、低输入偏置电流等特点[2]。调整管采用型号为IRF640的N沟道增强型金属氧化物场效应管（MOSFET），开关速度快、导通阻抗小（不大于180m欧）及

低热阻、低成本、坚固耐用等优点，常温下输出10V电压时漏极电流16A，功耗50W以下，适应于离线开关模式的电力供电，显示器电源、马达控制电路及通用開关应用[3]。

MOSFET是单极型晶体管，属于电压控制电流型器件，漏极电压不变时流过的漏极电流是栅、源极所加电压的线性函数，且控制性能好。本设计中采用热稳定性好的康铜丝绕制成取样电阻R6与MOSFET串联，取其两端电压经集成运放与输入信号构成电压并联负反馈电路。TL082_B构成电压跟随器反馈变动的负载电压，TL082_A作为比较器产生脉冲控制调整管的通断。依据理想运放虚短、虚断原理，列写TL082_A的同相端、反相端电流、电压方程如式（1）、式（3），其中反馈电压Uf表示为式（2）：

由式（4）可见，负载电流由输入电压决定，与负载的大小无关，即负载电阻在一定范围内变化时输出电流保持不变，构成恒流源电路。

1.3 D/A转换电路设计

系统需要输出电流范围为20mA～2000mA，考虑输出上限时对应的二进制数11111010000B以及1mA的步进值，选用12位的TLV5618作为D/A转换器[4]，单片机通过3线串行总线驱动，可编程其输出电压范围为基准电压的两倍，输出电压如式（5）所示：

（5）

其中Vref为输入参考电压，data是由单片机输出的0×0000～ 0×0fff之间的数字量，若采用2.56V参考电压，输出电压可达5V，最小步进电流为0.5mA，最大输出恒流电流可达2048mA，符合设计需要。

1.4 A/D转换电路设计

采用12位逐次逼近型A/D转换器MAX187，三线串行接口，转换速率快，功耗低[5]。MAX187内部参考电压Vref为4.095V，范围为0～4095（0×000～0×0FFF），假设MAX187输入电压为为AD_in伏特，则输出的数字量如式（6）所示：

× ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; （6）

可见，A/D的输入电压范围为0～4.095V，分辨力为1mV，采用1Ω的采样电阻可分辨

1mA电流，符合需要。

1.5 系统供电电源设计

系统最高输出电流为2000mA采用2.5V参考电压即可，由于单片机、A/D、D/A的电压等级为5V，集成运放需要±15V电源，因此采用三端集成稳压器78H05、78H15、79H15提供所需电压，确保系统稳定可靠工作。

2 系统控制软件设计

单片机的控制软件流程设计如图4所示，在系统初始化之后按顺序实现A/D转换、显示、扫描按键、D/A转换等任务。编程时需要注意协调好各个任务之间的关系，例如为了确保快速响应按键，可通过定时器中断方式驱动按键扫描任务，而将A/D、D/A转换和显示等任务放在主循环中。同时也要注意界面友好设计，例如在给定值为20～2000mA之间时显示“SET OK”，超过范围时显示“ERROR”。

3 测试实验

实验采用精度为0.1%的数字式万用表进行测试，按键步进1mA或在20～2000mA范围内随机设置给定值，记录实测电流和显示值见表1。分析数据可见，显示误差和控制输出误差均小于5mA，符合0.1%+3个字的目标。

4 結语

用AT89C51单片机控制12位A/D、D/A转换器，采用MOSFET、高精度采样电阻配合集成运放构成负反馈放大电路，采用2.56V基准电压可实现输出20mA～2000mA电流，步进分辨力可达到0.5mA，满足1mA步进要求，控制输出和测量精度不大于5mA满足0.1%+3个字的要求。

参考文献

[1] 曲学基，王增福，曲敬铠.稳定电源实用电路选编[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2] TI公司.TL082手册[Z].

[3] IR公司.IRF640手册[Z].

[4] TI公司.TLV5618手册[Z].

[5] 美信公司.MAX187手册[Z].

Abstract：The integrated operational amplifier TL082 and high power FET IRF640 are used to form the main circuit of constant current source. Microcontroller AT89C51， 4 * 4 keyboard，LCD， 12 bit A/D and D/A converter are used to form the digital control system. By reasonably