基于LPC938的高精度數控直流電流源的設計

總體方案選擇與設計
1方案論證與比較
① 主電路及調整方式的選擇

方案一 開關穩壓調整
開關穩壓調整方式效率高，普遍應用于計算機等現代數字儀器中，但一般紋波較大，難以控制，很有可能造成設計的失敗和技術參數的超標。

方案二 串聯反饋調整
該方案采用負反饋網絡，從輸出電壓取樣與基準電壓比較，并將誤差經放大器放大后反饋至調整管，使輸出電壓在電網電壓變動的情況下仍能保持穩定。該電路輸出電壓穩定性好，負載調整率高，引入的負反饋使紋波電壓大大減小，且電路簡單、容易調試。但其屬于線性穩壓源，即調整管工作在放大區，因而功耗比較大。

方案三 綜合以上兩種方案
結合開關穩壓調整與串聯反饋調整的優點，在串聯反饋調整的基礎上增加一級預穩壓，構成智能恒壓差系統，在保證調節范圍的基礎上減少功耗。

② 控制方案的論證比較
方案一 計數式數字電路控制
此方案使用計數器來來控制輸出電流的步進，是一種采用小規模數字電路的控制方法。其優點是不需要軟件支持，但元件多、硬件電路復雜、控制呆板、步進難以改變，且精度不高，難以達到設計要求。

方案二 CPLD控制
采用大規模數字邏輯電路CPLD，能夠實現高精度控制，功耗也不大，但其成本高、設計復雜。

方案三 單片機控制
單片機控制系統具有成本低、控制靈活的特點，通過軟件的編制能夠實現多種控制算法，且控制精度高、功耗低；特別是現代的增強型單片機，具有D/A、A/D、PWM、ICP等多種功能，能夠單片完成較復雜的控制要求，所以選擇單片機控制方式。

2 總體方案設計
綜上所述，我們設計了響應速度快的模擬內環和調節精度高的數字外環雙閉環調節系統。此系統通過面板按鍵對電流值進行預置，單片機輸出相應的數字信號，經過PWM控制、信號放大、電平轉換，通過串聯式穩壓調整管輸出電流信號。實際輸出的電流再利用精密電阻采樣變成電壓信號，經過高輸入阻抗、高精度放大器、A/D轉換器，將信號反饋到單片機中。單片機將輸出反饋信號再與預置值比較，送出調整信號，再輸出新的電流。這樣就形成了模擬內環和數字外環的雙閉環調節，提高了輸出電流的范圍、精度、電壓調整率和負載調整率，降低了功耗和紋波，并且電路簡單、步進可調、可擴展能力強（見圖1）。

圖1 總體設計方案

理論分析、電路設計與參數計算
電流源的硬件部分主要由單片機系統及A/D接口電路、PWM智能控制恒壓差及串聯調整模塊、鍵盤與顯示電路、控制電源模塊等組成。下面將分別對各部分進行分析并給出實現方案。

1 單片機系統及A/D接口模塊
單片機選P89LPC938，它是基于80C51內核的高速、低功耗的帶片內8Kb F1ash的8位單片機，其指令執行時間只需2～4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件。P89LPC938內部主要集成了字節方式的I2C總線、SPI接口、UART通信接口、實時時鐘、EEPROM、PWM、ICP、A/D轉換等一系列有特色的功能部件。

本設計需要三路A/D采樣，其中對電流的采樣要有很高的精度，考慮到控制精度要求，我們用16位的ADS1100芯片（含PGA放大器）對輸出電流進行采樣，用938單片機的10位A/D轉換器對另外兩路信號進行采樣（P0.1，P0.2）。

由于P89LPC938和ADS1110內部均帶有I2C總線，所以它們的連接很簡單。P89LPC938的P2.2，P2.3，P2.4，P2.5腳用于鍵盤顯示功能，P2.6，P1.6用于PWM的輸出。

2 PWM智能控制恒壓差及串聯調整模塊
此部分是整個硬件設計的核心，它直接關系到輸出電流的范圍、精度、紋波與電路的功耗。經過反復調試，我們設計的系統結構如下（見圖2）。

圖2 系統總體框圖