基于PWM技術的數控恒流源電路設計

現今，電源設備有朝著數字化方向發展的趨勢。然而絕大多數數控電源設計是通過高位數的A/D和D/A芯片來實現的，這雖然能獲得較高的精度，但也使得成本大為增加。本文介紹一種基于AVR單片機PWM功能的低成本高精度數控恒流源，能夠精確實現0～2A恒流。

　　系統框圖

　　圖1為系統的總體框圖。本系統通過小鍵盤和LCD實現人機交流，小鍵盤負責接收要實現的電流值，LCD 12864負責顯示。AVR單片機根據輸入的電流值產生對應的PWM波，經過濾波和功放電路后對壓控恒流元件進行控制，產生電流，電流再經過采樣電阻到達負載。同時，對采樣電阻兩端信號進行差分和放大，送入ADC。單片機根據采集到的值調整PWM輸出，從而調整了輸出電流。如此反復，直到電流達到設定要求。

　　圖1 數控恒流源系統框圖

　　模塊介紹

　　1 人機接口模塊

　　本模塊包括小鍵盤電路和液晶顯示電路。鍵盤設計為3×4鍵盤，由數字鍵0～9，功能鍵“刪除”及“確認”組成，采用反轉法實現鍵值識別。顯示電路由帶中文字庫的LCD 12864構成，該液晶可以每行8個漢字顯示4行。由于這部分電路比較簡單，在此不詳述。

　　2 核心控制模塊

　　系統的核心控制模塊為AVR單片機(ATMEGA 16L)。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。

　　AVR單片機片內有一個具有16位PWM功能的定時/計數器。在普通模式下，計數器不停地累加，計到最大值(TOP=0xffff)后溢出，返回到最小值0x0000重新開始。當啟用PWM功能即在單片機的快速PWM模式下，通過調整OCR1A的值可實現輸出PWM波的占空比變化。產生PWM波形的機理是：PWM引腳電平在發生匹配時(匹配值為0～0xffff之間的值，如圖2中的C)，以及在計數器清零(從MAX變為BOTTOM)的那一個定時器時鐘周期內發生跳變，具體實現過程如圖2所示。

　　圖2 PWM波產生過程

　　圖2中的C～F為OCR1A匹配值。從圖中可見，波形在每個匹配值處以及計數清零時輸出發生變化，從而實現了PWM波。由于OCR1A的值可以從0x0000到0xffff，共有65535個值，因此PWM波的最大分辨率為1/65535，滿足系統分辨率設計要求。PWM波的頻率為：

　　(1)

　　其中，fclk_I/O為系統時鐘頻率 (7.3728MHz)，N為分頻系數(取1、8、64、256或1024)。在N取1時，根據式(1)得PWM波的最大頻率為7.3728MHz;當N取1024時，PWM波的最小頻率為 7.2kHz。本系統N取256，PWM波頻率為28.8kHz。

　　單片機內部有1個10位的逐次逼近型ADC，當使用片內VCC作為參考電壓Vref，其分辨率為：

　　(2)

　　若使用片內的2.56V基準源作為參考電壓，依據式(2)可得到其分辨率為0.003V。

　　當系統需要更高的分辨率時，可以通過軟件補償的方法來實現。具體實現方法可參考相關資料。

　　3 濾波和功放模塊

　　圖3 二階RC低通濾波電路

　　PWM波產生后不能直接用于控制MOSFET，需把其變成能隨占空比變化而變化的直流電壓。在此，我們選用二階RC低通無源濾波器，并取得了很好的效果。

　　二階RC低通無源濾波器的系統函數為：

　　(3)

　　其中，A為通帶增益，Q為品質因素， ω0為截止頻率。根據式(1)算出PWM波的頻率，取截止頻率為30kHz，由式(3)可確定對應的電阻、電容值。

　　由于無源濾波器的負載能力差，信號經過二階無源濾波網絡后衰減比較厲害，需要增加一級功率放大電路。功放電路比較簡單，也有經典電路，限于篇幅不再贅述。