基于增量式PID控制的數(shù)控恒流源

摘要：數(shù)控恒流源在計(jì)量、半導(dǎo)體、傳感器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，針對目前市場上大部分恒流源產(chǎn)品精度和智能化水平偏低等問題，提出了一種增量式PID控制的數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)通過單片機(jī)對恒流源模塊的輸出進(jìn)行采樣，采用增量式P1D控制算法進(jìn)行數(shù)值處理。并通過Matlab仿真與傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其具有分辨率高、紋波小、高精度的特性。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；恒流源模塊；場效應(yīng)管；增量式PID控制

0 引言
隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，恒流源的研究已經(jīng)入嶄新的一個(gè)階段。在一些電真空器件中，如示波器，功率發(fā)射管等由于通電瞬間的電流非常大，所以對穩(wěn)定其工作來說，恒流源顯得非常必要。另外如各種標(biāo)準(zhǔn)燈、校驗(yàn)表、自動化儀表和半導(dǎo)體器件參數(shù)測量等，恒流源對器件的性能起著重要作用。
恒流源的實(shí)質(zhì)是對電流進(jìn)行反饋，通過對硬件電路進(jìn)行供電，從而使電流趨于恒定。在得到電流之后形成反饋，從而建立恒流源。由于恒流源具有的特性，所以具有適合阻性、感性、容性負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)。理想的恒流源不會因負(fù)載的輸出電壓、環(huán)境溫度的變化而變化，并因其內(nèi)阻無限大，所以可使其電流全部輸出。

1 恒流源實(shí)現(xiàn)原理
數(shù)／模轉(zhuǎn)換輸出的值加到運(yùn)放的LM358正輸入端，輸出端電位加到場效應(yīng)管的柵極上，根據(jù)場效應(yīng)管的特性，可使輸出電流信號放大若干倍，具體數(shù)值根據(jù)所選場效應(yīng)管與外部電路而定。通過分析計(jì)算出外部電路的參數(shù)，使場效應(yīng)管工作在放大區(qū)，由于此時(shí)漏源極電流僅決定于柵源極電壓，所以當(dāng)改變柵源極電壓時(shí)，源極的電流也隨著變化。為排除外部干擾信號的影響，源極電位加往U6-B運(yùn)放器的正輸入端以便濾波。經(jīng)濾波所產(chǎn)生的信號加入到U6-A的負(fù)輸入端，使其經(jīng)過兩端的壓差放大之后控制場效應(yīng)管的柵源極電壓。當(dāng)場效應(yīng)管的漏極電流變大時(shí)，源極的電流同樣增大，U6-A的反相端電位也變大，這樣U6-A兩端輸入之差變小，所以場效應(yīng)管的柵極電位也變小，漏極電流隨之變小，從而達(dá)到恒流的效果。當(dāng)場效應(yīng)管的漏極電流變小時(shí)，源極的電流變小，U6-A的反相端電位變小，這樣U6-A兩端輸入之差變大，所以場效應(yīng)管的柵極上的電位變大，從而也達(dá)到恒流的效果。恒流源模塊如圖1所示。

2 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的恒流源主要分下面幾個(gè)模塊：單片機(jī)控制系統(tǒng)、A／D和D／A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、恒流源模塊、負(fù)載及顯示模塊。通過對按鍵的操作實(shí)現(xiàn)手動輸入，通過D／A轉(zhuǎn)換輸入至恒流源模塊，再通過A／D轉(zhuǎn)換將數(shù)值送入到單片機(jī)內(nèi)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。