基于Proteus的數控恒流源仿真研究

為了提高測量的穩定性和準確性， 采用專用的電壓基準芯片TL431 為T LC5615 提供基準電壓， 并在Proteus中進行仿真實驗。電路如圖2 所示， 在制作實際電路時，圖中的可調電阻采用精密多圈電位器。

圖2 電壓基準電路

2. 2 恒流電路的設計

恒流電路的主要作用是將數控部分送來的電壓轉換成恒定的電流輸出， 提供給負載。轉換電路由高精度集成運算放大器LM358、功率場效應管IRF530 和采樣電阻構成， 如圖3 所示。將數控部分的模擬輸出電壓Ui 作為LM358 的輸入量， 取樣電阻的電壓反饋到LM358 的反相輸入端， 該電路構成了典型的電流串聯負反饋， 根據反饋理論， 由于集成運放的開環增益很大， 所以該電路為深度負反饋， 即輸入電壓Ui與取樣電阻R 上的反饋電壓Uf 相等， 可由式(3) 得：

圖3 電流源電路。

即輸出電流IO 只取決于數控輸出電壓Ui 和取樣電阻R 的大小， 而與負載無關， 且負反饋具有穩定輸出電流的功能， 如能夠提供穩定的輸出電壓和精密的取樣電阻， 則可得到紋波很小的恒定電流。仿真結果表明該電路有很好的恒流效果。實際設計電路時， 為了達到更穩定的輸出， 可在LM358 和IRF530 之間加入RC 濾波。

仿真實驗表明，LM358( U2:A) 采用+ 5 V 電源供電時達不到要求的電流。為滿足設計要求， 可采用+ 12 V直流電源供電。此外，要達到2 000 mA 的輸出電流， 應采用大功率且溫度系數小的取樣電阻， 對于高精度的應用可采用康銅或錳銅絲作為取樣電阻， 如果精度要求不高， 也可采用水泥電阻。

由于集成運放不可能提供很高的電流， 因此設計中采用功率場效應管IRF530 進行擴流， IRF530 在散熱良好的條件下可以提供14 A 的電流， 導通電阻僅為0. 18Ω , 滿足設計要求。同時需要大功率的電源為其供電， 根據設計的最大電流和負載值來確定電源參數。經仿真實驗， 若負載在0~ 10 Ω， 采用+ 24 V 電源可以滿足設計要求， 并有一定余量， 因此實際設計時可以采用+ 24 V/ 3 A 的直流穩壓電源。由于IRF530 漏電流的存在， 最小輸出電流不為零， 仿真實驗表明該值大約在20 mA 左右。

2. 3 電流采樣模塊設計

電流采樣也就是將實際輸出的電流測量出來并顯示在LCD 上， 其基本原理是采集取樣電阻上的電壓， 并根據取樣電阻的值將其換算為相應的電流， 這里采用10 位串行A/ D 轉換芯片T LC1543 采集電壓。為實現高精度的測量， 仍采用TL431 作為電壓基準， 基準值為2 V .值得一提的是， 若要求負載接地， 則負載和取樣電阻的位置應調換， 此時， 測量取樣電阻兩端電壓時， 需用差分放大器進行差分到單端的轉換。

2. 4 過流保護電路

為了防止外界干擾造成瞬間電流過大損毀器件， 設計過流保護電路， 采用專用電壓比較器LM311 實現， 比較器的參考電壓根據最大電流以及取樣電阻的阻值確定， 當正常工作時比較器輸出低電平， 過流時輸出高電平， 單片機根據監測到的電平變化觸發中斷將輸出電流置零。

3 軟件設計

軟件設計包括單片機的C51 編程和PC 端基于LabVIEW 的監控程序兩部分。單片機的C51 編程實現如下功能， 在圖2 中按數字鍵輸入設定電流， 之后按 確認鍵，如輸入錯誤， 可隨時按取消 鍵， 取消本次操作; LCD 第一行顯示設定值， 第二行顯示實際測量值， 如果實測值未達到所需值， 可以按步進加減鍵進行微調， 使輸出值最終滿足要求。軟件設計的核心是識別鍵值， 并通過適當的數據處理完成數據的輸入、顯示和電流控制功能。

圖4 計算機監控界面

通信功能已經成為儀器儀表的重要功能之一， 利用串口通信功能， 計算機可以對恒流源的輸出電流進行監測，并可以在PC 上對恒流源進行遠端控制。我們采用LabVIEW 編寫了計算機監控程序， 并利用虛擬串口與Proteus 進行了通信仿真調試。PC 端的控制界面如圖4 所示， 設置好通信參數后，輸入設定電流并確定即可， 前面板同時顯示出當前儀器實際輸出的電流值。

4 結束語

經過仿真實驗， 在理論上證明了本文所述數控恒流源設計方案的可行性。在仿真成功的前提下， 我們設計并制作了實際電路， 經實際測試， 與仿真結果十分接近， 滿足了設計要求。可見在借助Proteus 仿真技術進行電子系統的設計， 可以提前發現設計的錯誤， 極大的提高開發效率、降低開發成本。