基于LPC938的高精度數控直流電流源的設計

對于Q1、Q2，已知β=30，最大電流為2A，Ui=18V，有：
I=2/β=0.067A (1)
R1=(Ui－0.7－0.3)/IR1=254Ω (2)
取R1為270Ω，938管腳輸出的最大電壓為3V，通過R2的電流為：
IR2=IR1/β=0.067/30=0.0022A (3)
R2=（3－0.7）/IR2=1K (4)
由于本設計對紋波的要求比較高，所以穩流電感L1、L2和濾波電容C1、C2的選取值至關重要。設電感L1的輸入電壓Vi，電感L2的輸出電壓Vo，則占空比為：
D=Vo/Vi=0.722 (5)
設工作頻率fS=10kHz,則TS=0.0001S,負載R取5Ω，紋波電壓為輸入電壓的0.5%，即ΔVo/Vo=0.5%，則：
L1=L2=(1-D)RTS/2=69.5μH (6)
C1=C2=VoDTS2/8LΔVo=2500μF (7)

② 串聯調整部分
這部分將單片機輸出的PWM方波通過多級RC濾波，形成平穩的基準電壓，作為模擬內環的給定值，電流輸出范圍20～2000mA,步長最小1mA，共有1880個數值。938的捕獲/比較單元內部是16位的定時器，輸出至PWM2的占空比有65536種狀態，滿足要求。

由于938單片機的A/D采樣電壓不能超過3V，而調整管的發射級輸出電壓最大為10V，集電級電壓穩至13V，均超采樣的最大值，所以要進行分壓。R3、R4、R5、R6為分壓電阻，R4、R6可調，取R3=3.3KΩ，R4=1kΩ，R3=2.2kΩ，R3=1KΩ，可滿足要求。

R8為采樣電阻（采用電流表中的標準分流電阻，穩定性好，精度高），其值取為0.1Ω，它將輸出電流以電壓的方式輸入到放大器A2的同相端。其中，R12為保護電阻，其上的電流可以忽略不計。放大器的輸出經ADS1110高精度A/D轉換器反饋到單片機，與給定進行比較，構成外部數字閉環控制。設A2的輸入電壓為U1，輸出電壓為U2，根據電流相等有：
(U2－U1)/R13=U1/(R14+R15) (8)
可得放大倍數為：
U2/U1=R13/(R14+R15)+1 (9)
U1最大為0.1Ω×2A=0.2V，U2最大為3V，所以放大器A2的放大倍數設置為15較為合理。據此可取R13為10kΩ，R14為0.5kΩ，可變電阻R15取為1kΩ，其放大倍數范圍為6.720，滿足要求。

內環模擬調節由調整管Q3、Q4、差動放大器A1（輸入阻抗高，具有較高的共模抑制比）及輔助元件構成，采樣電壓通過放大器A2輸入到差動放大器的反向端，PWM2輸出電壓濾波后到差動放大器的同向端，當輸出電流低于設定值時，差動放大器輸出為正，調整管導通，輸出電流增大，直到與設定值相等。

D7、D8、D9、Q5組成過流保護電路，若輸出電流由于干擾偏離給定值太大時，差動放大器輸出電壓便很大。當其超過 0020一定值時，Q5便導通，切斷調整管的基極電流，關閉輸出，起到了過流保護的作用。

3 鍵盤及顯示模塊
鍵盤與顯示模塊的工作原理如下：單片機通過DIN端口，將需要顯示數據的端碼和位碼信息在SCLK脈沖的控制下分別移入到兩片74HC164和595中，段碼在164中，位碼在595中，之后通過RCLK脈沖送出位碼信息完成數據顯示。ReadKey端口是鍵盤檢測口。在該部分的軟件先取數據輸出顯示，顯示后緊接著查詢ReadKey端口（對應位碼）是否為低電平，如果為低電平則記錄送出的位碼信息。之后，進行第二次循環，顯示數據并查詢ReadKey端口，當ReadKey端口為高電平或是在ReadKey端口為低電平時記錄的位碼信息與上次不相同時放棄鍵處理；當兩次讀ReadKey端口為低電平記錄下的位碼信息相同時進行相應的鍵處理操作。

圖3 主程序流程圖

主程序設計
在系統加電后，主程序首先完成系統初始化，包括ADS1110、I2C口、SPI口、中斷、定時/計數器、CCU中與PWM輸出相關的寄存器等工作狀態的設定，給系統變量賦初值，顯示上次預置值等；然后掃描獲取鍵值，執行相應的功能子程序。當啟動鍵按下后，根據預置值、步長等參數計算對應輸出的數字量，再進行閉環反饋調整。

測試數據與結果分析
1測試器材
DF1930數字毫伏表、Thurlby1905a型數字表（四位半電壓表）、100M雙蹤數字存儲示波器TDS2012、直流穩壓電源LPS-305（030V/3A）、六位半數字多用表HP34401A、電阻箱（0.55Ω、550Ω、50500Ω）。

2測試方法、數據與結果分析
設定輸出電流2000mA，負載電阻由0.55Ω變化時，電流源負載特性數據及紋波計算如表1。
由表1可知，最大偏差ΔImax=2.8mA,紋波電流的平均值為0.129mA，最大值為0.191mA，滿足高精度、低紋波的要求。
　　
結語
本設計的創新之處是綜合考慮了精度、紋波、功耗、復雜度等方面的要求，較好的完成了一個高精度數控直流電流源的設計制作與調試，達到了較高的技術指標。但是，看似簡單的電源，也有很多值得仔細研究的地方，比如電路的穩定性（如何克服閉環振蕩，包括寄生振蕩），精度的提高，紋波的減少，動態響應的品質及造成測量誤差的諸方面，這些都值得我們更進一步地研究與學習。