一种高精度电流源的设计

船电技术|应用研究 V ol.30 No.2 2010.2

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一种高精度电流源的设计

曾祥幼蒋炜陈方亮黎波

（中国船舶重工集团公司712研究所，武汉 430064）

摘要：介绍一种高精度，可预置的数字显示直流电流源的软件、硬件设计方法。该系统是基于C8051F040单片机开发的。文中给出了硬件电路和软件流程。系统具有性能可靠、结构简单、精度高等优点。

关键词：C8051F040单片机电流源硬件电路软件流程

中图分类号：TN866 文献标示码：A 文章编号：1003-4862 (2010)02 -0042-03

Design of High-precision Current Source

Zeng Xiangyou，Jiang Wei, Chen Fangliang, Li Bo

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China)

Abstract：A system of the current source controlled by digital code is described，in which a micro control unit C8051F040 is used as a controller，and hardware architecture and software design are provided. The system has reliable performance，simple structure and high-precision．

Key words：C8051F040 MCU；current source；hardware architecture；software design

1 引言

恒流源是模拟电路中的重要组成部分，它可以用作驱动、控制或偏置电路。传统恒流源电路是通过调整偏置电阻大小来改变恒流源特性的，虽然手动可以改变偏置电阻的大小，但这种方式在一些要求非线性、高精度、快速反应的场合难以实现精确控制，而且不能在功耗和性能之间取得平衡。此外，传统恒流源容易受到温度、电源电压等因素的影响，导致精度不高，线性度不好。本文介绍的是用C8051F040控制的恒流源，它具有外部电路简单、性能可靠等优点，可以实现自动调整，并在高精度方面有广阔的应用前景。

2 系统结构

系统主要由C8051F040单片机、键盘与显示电路、A/D及D/A信号调理电路、压控恒流源等几个模块单元组成。输入为50 Hz交流200～240 V，实现输出为0～10 A可调，高精度的恒定直流电，并能够通过LCD显示。系统方框图如图1所示。

图1 系统方框图

2.1 C8051F040单片机

采用Silicon公司的C8051F040单片机，该芯片具有8通道12位A/D转换器，两路12位D/A转换器，8个8位宽端口I/O，具有4 K的RAM和64 K的FLASH，两个通用同步/异步串行通讯接口（UART0和UART1），I2C串行总线接口和CAN 总线接口，采用精简指令集（RISE）结构，执行命令高达8MIPS的速度[1]。

2.2 A/D、D/A转换

A/D、D/A转换均采用片内12位高速ADC和DAC，为提高输出精度，基准电压采用外接高精密基准电压芯片ADR421，2.5 V输出,公差0.04％，温度漂移系数为±3 ppm/℃。使A/D和D/A转换的输出可达很高的精度。

采样电阻把流过负载的电流值转换为自身的

收稿日期: 2009-08-02

作者简介：曾祥幼(1985-),男，在读硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。

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电压，经AD 采样后给单片机处理，并在显示电路中显示。输入电流经D/A 转换后作为电路输入给定。 2.3 恒流源

压控恒流源是系统的重要组成部分[2]。它是用电压来控制电流的变化，电路原理图如图2所示。

采用高精度运放OP07，它的输入信号有1个，为单片机片内数模转换器DAC 的输出电压V in 。给定值V in 与反馈电压V ref 经运放U 1进行比较，输出误差△U 后，误差△U 经PI 调节器U 2调节后控制三极管Q 1基极电流，从而控制了Q 1的开通程度，再通过Q 1来调节MOS 管Q 2的栅极电压，从而调节Q 2

的开通程度，以调节输出电流近似等于输入给定值。若V in >V ref ，则U 1输出正值，经PI 调节器后，Q 1的基极电流增大，使得Q 1开通加大，从而驱动MOS 管Q 2开通加大，导致输出电流增大；若V in >V ref ，则U 1输出负值，经PI 调节器后，Q 1的基极电流减小，使得Q 1开通减小，从而驱动MOS 管Q 2开通减小，导致输出电流减小。这种闭环调节速度快，实现了电路中电流的恒定不变。

在选元器件方面，Q 2选用大功率MOS 管IFR540N ，且使用散热片，保证其工作在线性区时，实际输出的恒定电流仅仅由D/A 输出的电压V in 决定

[3]

。采样电阻R 5选用RS 公司的

MSR-5W-025R 的精密电阻。

图2 恒流源电路原理图

3 软件设计

系统软件按模块化的方式，采用C 语言编写。系统软件主要完成输入给定、电流调整、软件保护等功能。包括主程序、校准子程序和显示、PID 调节、LCD 通信显示等其他子程序[1]。

在系统加电后，主程序首先完成系统初始化，包括A/D 、D/A 、RS232串口、中断、定时/计数器等工作状态的设定，给系统变量赋初值，显示上次设定值等。然后扫描键盘值，执行相应的功能子程序，输入恒流源电流。当启动键按下后，根据设定值参数计算对应输出的数字量，通过D/A 给到电路输入端口中，再每隔1秒AD 采样一次，将采样结果通过RS232传给LCD 屏显示，如图3所示。

图3 主程序流程图