基于单片机控制的恒流源的设计1

其中 :0 Φ D Φ4096 是给 D/ A 送入的数据 。
这里我们采用了变换 D/ A 转换器基准的方法 ,共有 3 个基准分别为 :3V 、415V 和 6V 。在电
流上升的过程中 ,由单片机控制依次由小到大进行切换 。假如当前使用 3V 基准 ,当给 D/ A 送
入的数据由 0 增加到 4095 时 ,切换为 415V 基准 。此时应注意的问题是 ,在新基准下 ,不能再给
本文于 1999 年 12 月收到 。郭继昌 :讲师 ;李香萍 :工程师 ;张宏涛 :博士生 。
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电子测量与仪器学报
第 14 卷
增加的过程中 ,随时根据调整管 c - e 间的电压变化调整输入交流电压 ,以保证调整管 c - e 间的 电压在正常范围内 。这样做的目的是既确保调整管能正常工作 ,又不至于电压太高而增加功耗 损坏调整管 。另外 ,输出电流上升的过程中 ,给 D/ A 送的数据也逐渐增大 ,当输入数据达到最大 值时 ,将调整 D/ A 的电压基准 ,使之上升一档 ,如从 3V 调整为 415V 。
112136 6544 116466 112357
2052 214237
112119 7504 11307 11307
2548 214038
112019 8717 017919 017919
3106 213617
111808 9303 015557 015557
3609 213065
111532 10000 011359 011359
△I3 V = 5000/ 4096≈1122 m A △I415 V = 7500/ 4096≈1183 m A △I6 V = 10000/ 4096≈2144 m A
因此 ,D/ A 每个数字的变化引起的磁感应 强度变化分别为 :
△B 3 V = △I3 V ×B′( I) △B 415 V = △I415 V ×B′( I) △B 6 V = △I6 V ×B′( I) 表 2 中 △B 2 ( I) 示出了采用三个基准时各个采 样点上 D/ A 变化一个数字引起的磁感应强度变化 。 图 5 表示了两种情况下 D/ A 的数据每变化一个数 字时所产生磁感应强度的变化值曲线 ,图 5 表明 ,多
5 结 语
调试时应考虑如下几个问题 :首先 ,感性负载和阻性负载的特性是不相同的 ,对于感性负载
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基于单片机控制的恒流源的设计
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来说 ,当加在负载上的电流变化时会产生反电动势 ,变化越快反电动势越高 。所以 ,对于感性负 载来说 ,负载电流的增大或减小 ,要选取一个适当的速度 。第二 ,注意铁磁质有磁滞回线现象 ,本 设计采用了闭环控制 ,所以可以不予考虑 。如果是开环的 ,要注意相同的负载电流在电流上升时 和下降时产生的磁感应强度是不相同的 ;第三 ,设计时要注意保护 ,一是电机的保护 ,二是大功率 调整管的保护 ;第四 ,注意数字地和模拟地的分离 ,以避免产生干扰 。
2 结构框图和工作原理
电源的组成框图如图 1 所示 。 交流输入部分的输入电压是 220V/ 50 Hz , 它接入交流调压部分 。交流调压部分由一个 电机调节的自耦变压器及正反转控制电路组 成 ;整流滤波电路由整流桥和电容组成 ; 输出 调整单元由大功率三极管及驱动电路 、输出取 样及比较放大等电路组成 ; 电压基准有 3 个 , 由模拟开关控制当前 D/ A 转换器的基准 。 开机后 ,通过单片机的键盘可输入所需磁 感应强度 ,然后按确认键 ,单片机开始给 D/ A 由小到大逐渐送入数据 , D/ A 的输出逐渐增 大 ,从而使得输出调整单元中大功率管基极的电流增大 ,输出电流增加 ,负载上的压降将逐渐增 大 ,导致输出调整单元中调整管上 c - e 之间的电压降低 。降低到设定的最低值时 ,将给单片机 输出一个信号 。单片机得到信号后控制输入调整单元中的电机转动 ,带动自耦变压器使得输出 交流电压增大 ,调整管 c - e 间的电压随之增大 ,增大到一定数值时 ,电机停止转动 。在输出电流
I R1
=
V out R1
(1)
因为负载
(20Ω) 远小于 R2 ,
可以认为负载上的
电流即为 IR1 。它 只和 Vout 有关 ,即 只和 D/ A 的 输 ຫໍສະໝຸດ Baidu 有关 ,这样实现了 恒流的目的 。
这 里 R1 =
016Ω ,要求的最大 输出电流 为 10A ,
图 2 恒流源主电路
所以 Vout 的最大值应为 6V ,这也是 D/ A 电压基准选择的依据 。
图 5 单一基准和多基准时每个数字 的变化产生磁感应强度变化曲线
基准时提高了低端输出磁感应强度的精度 , 其中 0 ～ 5000mA 范围内提高了约 50 % , 5000 ～
7500mA 范围内提高了约 25 % ,7500mA 以上没有变化 。
4 软件设计
根据硬件电路 ,软件主程序框图和给 D/ A 送数的子程序分别如图 6 和图 7 所示 。 程序运行后 ,开始检测是否有键按下 ,若有则进入设定磁感应强度值操作 ,设定完成后按确 认键 。此时 ,系统和当前的磁感应强度值比较 ,确定是上升还是下降 ,然后调用给 D/ A 送数子程 序开始给 D/ A 一步一步地送入数据 。每送一个数检测一次磁感应强度值 ,这样循环至磁感应强 度达到要求的值 。 给 D/ A 送数是一个数一个数增加或减少的 ,而不是一次到位 ,这样做有两个原因 :一是因为 感性负载的电流不能急剧变化 ;二是因为磁滞现象 ,使得磁感应强度和电流值不是一一对应的 , 不能根据给顶的磁感应强度值计算出准确的电流值 。为了适应感性负载的这个特性 ,每给 D/ A 送一个数后要经过一定时间的延时 ,然后再送下一个数 。另外由前文可知 ,D/ A 变换器采用了 多个基准 ,所以在电流上升或下降的过程中还要检测是否需要更换基准 。
D/ A从 0 开始送数 ,而应从某一个值开始 ,以使输出电流连续而不出现跳变 。
3V 基准切换到 415V 基准后给 D/ A 送的数应为 : d = 3 ×4096/ 415≈2731
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415V 基准切换到 6V 基准 后给 D/ A 送的数应为 : d = 415 ×4096/ 6≈3072
之所以采用变换的 D/ A 基 准 ,是由于铁磁质磁感应强度随 电流变化的非线性[4] 造成的。
本机 中 铁 磁 质 磁 感 应 强 度 随 电
流的变化的实测数据如表 1 ,由
此数据得到的曲线如图 4 所示 。
用最 小 二 乘 法 拟 和 出 的 电 流和磁感应强度的关系式为 :
图 3 D/ A 转换电路原理图
20 4 0195745 4122 4000 0191455
203 240 0196516 4607 4500 0187965
507 500 0197604 5185 5000 0182914
1032 1000 0198929 5792 5500 0176614
1524 1500 0199475 6544 6000 0167484
关键词 :电压基准 智能化电源 闭环控制
1 引 言
在航空航天以及半导体集成电路生产领域中 ,为了研究半导体材料的性能 ,需要产生 7000 ～10000 Gs 的强磁场 ,产生这种磁场的关键部件是高稳定度大功率恒流源 。为此 ,我们研制了智 能化 200V/ 10A 恒流源 。该恒流源实现了闭环控制 ,可以精确设定所需场强 。利用改变 D/ A 变 换器基准电压的方法 ,实现了分段线性调节 ,保证了输出电流高端和低端的精度 。
(2) D/ A 转换电路
该部分电路的原理框图如图 3 所示 。D/ A 转换器采用 12 位宽的双缓冲 D/ A 转换器
DAC1230 。电路中 W1 是满量程调整电位器 。由图可知其输出 Vout 为 :
V out = -
R2·- V Re f 10 4096
·D
=
V Re f 4096
·D
(2)
图 4 磁感应强度和电流关系曲线
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表 2 单一基准和三个基准时采样点输出磁感应强度的精度比较表
电流 I(mA)
△B1 ( I) ( GS/ step)
△B2 ( I) ( GS/ step)
电流 I(mA)
△B1 ( I) ( GS/ step)
△B2 ( I)
电流下降时各部分的动作相反 ,这里不再详述 。
3 硬件电路
下面主要介绍关键电路的设计 ,常用电路如单片机及其外围电路等从略 。 (1) 恒流源主电路 电路的原理框图如图 2 所示 。主要由整流桥 、滤波电路 、高频扼流圈 (L ) 、大功率三极管 (Q4 、Q5) 及推动电路 (Q1 ,Q2 ,Q3 以及比较放大器 IC1) 组成 。其中 R1 是取样电阻 ,图中的 A 点 接图 3 D/ A 转换电路的地 ,B 点接 D/ A 转换电路的输出电压 Vout 。 由图 2 可知 ,电阻 R1 左端的电压等于 IC1 负输入端的电压 V - ,而 V - ≈V + = Vout ,所以 有:
B ( I) = - 41529 E - 9 ×I3 + 212892196 E - 5 ×I2 + 01956544007 ×I + 41931708
(3)
表 1 磁感应强度随电流的变化的实测数据
电流 I(mA) 磁感应强度
B ( GS) B’( I) 电流 I(mA) 磁感应强度 B ( GS) B’( I)
20 213362
111681 4122 212315 111157
203 21355
111775 4607 211463 110731
507 213815
111907 5185 210231 110116
1032 214139
112069 5792 118694 114028
1524 214272
(4)
由 (4) 式计算出各个电流值所对应的 B′( I) 值也列在了表 1 中 。B′( I) 值的大小反映了在
该点磁感应强度随电流变化的快慢 。
采用单一基准电压时 ,D/ A 每变化一个数字产生的磁感应强度变化为 :
△B 1 (
I)
=
10000 4096
×B′( I) ≈2144 ×B′( I)
表 2 中 △B 1 ( I) 是采用单一基准 (6V) 时在
各个测量点上计算得到的 D/ A 每变化一
个数字所产生的磁感应强度变化值 ,这组
数据说明 ,在电流输出的高端和低端产生
磁感应强度的精度是不相同的 。采用变化
的 D/ A 电压基准可以将输出磁感应强度 进行线性化 。根据表 1 中的实测数据和 B′( I) 的值 ,把输出电流分成 3 段 ,即 0～ 5000mA , 5000mA ～ 7500mA , 7500mA ～ 10000mA ,它们的基准分别 为 : 3V , 415V 和 6V ,对应三个基准 D/ A 每变化一个数 字引起的电流变化分别为 :
基于单片机控制的恒流源的设计
郭继昌 李香萍 张宏涛
(天津大学电子信息工程学院 ,天津 300072)
【摘要】介绍一种用于场强机的智能化 200V/ 10A 恒流源的设计过程 。该恒流源采用 51 系列单片机控制 , 设计中采用了改变 D/ A 变换器基准电压的新方法 ,校正了由于铁磁质的非线性而引起的误差 ,提高了输出的精 度。
2052 2000 019933 7504 6500 0153566
2548 2500 0198518 8717 7000 0132456
3106 3000 0196791 9303 7210 0122776
3609 3500 0194528 10000 7400 0105569
它的导数 :
B′( I) = - 113587 E - 8 ×I2 + 415784392 E - 5 ×I + 01956544007
第 14 卷 第 4 期 电子测量与仪器学报 V ol114 N o14
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