基于C8051F040數控恒流源的設計與實現

摘要：文章介紹了一種基于C8051F040為控制核心的數控恒流源，利用內置D/A輸出電壓實現電流高精度調節，通過內置A/D采集采樣電阻電壓和交流電源電壓形成閉環控制，通過LCD顯示預設電流值和實測電流值。經測試，輸出20～1500mA電流時，系統誤差小，負載調整率和線性調整率低。

1 引言

在現實的生活和實驗中，要用到各式各樣的電源，電壓電流要求各異。如何設計一個電壓穩定，輸出電流精度高的電流源，成了電子基礎應用的熱點。隨著數控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產生的誤差，會影響整個系統的精確度。數控電源是從80年代才真正的發展起來的，期間系統的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發展提供了一個良好的基礎。在以后的一段時間里，數控電源技術有了長足的發展。但其產品存在數控程度達不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數控電源主要的發展方向、是針對上述缺點不斷加以改善。單片機技術及電壓轉換模塊的出現為精確數控電源的發展提供了有利的條件。新的變換技術和控制理論的不斷發展，各種類型專用集成電路、數字信號處理器件的研制應用。從組成上，數控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。數字化電源模塊是針對傳統電源模塊的不足提出的，數字化能夠減少生產過程中的不確定因素和人為參與的環節數，有效地解決電源模塊中諸如可靠性和產品一致性等工程問題，極大地提高生產效率和產品的可維護性。為達到一定的標準，本文采用C8051F040單片機作為控制核心，通過其內置的D/A輸出電壓對電流進行調制，大大提高電源的輸出精度。

2 系統總體設計

本系統采用C8051F040為控制核心，通過鍵盤預設輸出電流，應用內置D/A和A/D進行電流和電壓信號的輸出與采集，通過外接LCD顯示預設電流值與實際輸出值。故系統由控制模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、恒流源模塊、負載電源模塊、交流電源電壓檢測模塊等組成。系統結構框圖如圖1所示。

3 各模塊設計

3.1 控制模塊

本系統采用鍵盤輸入方式，以各種步進值(1mA、10mA等)預設電流值，C8051F040讀取預設電流值，經過運算得出對應的數字輸出量，再經D/A轉換器輸出對應的精密電壓信號Vs，Vs作為恒流源模塊的控制電壓模擬量，實現對恒流源輸出電流的精確調節(20mA～1500mA)。

同時C8051F040控制LCD輸出預設電流值和實際電流值;利用A/D監測輸出電流值和交流電源電壓值，形成閉環控制，提高輸出精度和穩定性。

3.2 恒流源模塊

理想電流源的輸出電流只按其自身規律變化，與外電路無關。如圖2所示、其中Vs是恒流源輸入電壓，Vo為輸出電壓。根據運算放大器的虛短原則即(V+=V-)，則Vf=Vs，又根據運算放大虛斷原則(運放的+、-端輸入電流I+=I-=0)，則流過電阻R1和R2的電流都應是Io，Io便是設計要求的恒流源輸出電流。因為Vf=IoR2，并且Vf=Vs，所以Io=Vs/R2，由此可知，當R2一定時，Io與Vs成正比，當Vs變化時，隨線性變化。因此，圖2所示的恒流源電路是一個線性電路。為了調節輸出電流Io，方法之一就是固定R2不變，調節Vs，當Vs變化時，電流Io隨Vs成正比例地變化。數控模塊的D/A轉換器可以精確提供這個可變的Vs。

可見輸出電流僅與控制電壓和電流取樣電阻有關，且成線性關系。

恒流源模塊分為線性調節輸出和大功率驅動元件兩部分組成。下圖3為恒流源電路圖，圖中R2，R3，R4和運放等組成電流調整電路，由R7、R8分壓，D/A控制輸出電壓加在跟隨器輸入端，R3、R4并聯組成采樣電阻，可調電阻R3用于微調采樣電阻，采樣電阻將輸出電流轉換為電壓。依據Io=Vs/R2，選擇R2=1Ω，當Io=1500mA時，Vs=1V。所以，D/A輸出Vs的范圍為0～1.5V。R6為限流電阻，當需要調高輸出電流時，D/A輸出電壓增加，運放輸出電壓升高，Q1導通程度增加，導致輸出電流增加。當需要調低輸出電流時，D/A輸出電壓減小，運放輸出電壓降低，Q1導通程度減小，導致輸出電流減小，為了系統準確性高，取樣電阻采用高精度大功率錳銅絲。

3.3 交流電源電壓的監測

為使系統輸出電流精度高、穩定性強，通過采集交流電源電壓，形成閉環控制。

交流采樣算法采用均方根算法，交流電源電壓檢測電路如圖5所示。

3.4 LCD顯示與鍵盤設計

采用LCD顯示器顯示預設電流值、實際電流值、誤差等。系統采用128x64點陣12864液晶顯示器，可顯示漢字和圖形，設計友好的顯示界面。鍵盤設計采用4個按鍵，利用菜單模式，實現各種參數設置(如任意步進的設置)，其接口簡單控制方便。

4 軟件設計

主程序流程圖如圖6所示。

5 系統測試

系統實物圖如圖7所示，外接電源和負載分別進行誤差、負載調整率、紋波電流和線性調整率測試。

5.1 誤差測試

在范圍內選定5個值進行測試比較，具體數據見表1。由數據分析可知，誤差率低于，其中Io為設定值，I1為采樣值，I2為電流表實測值，I%為誤差率，I%=|I2-I0|/Io× 100%。

5.2 負載調整率測試

輸入電壓220V不變，設定電流600mA，改變負載電阻值R，分別在5Ω、10Ω、20Ω、50Ω、100Ω測試，測試結果如表2所示，由數據分析可知，誤差率低于。

5.3 紋波電流測試

負載設定為，分別測試輸出電流為，時，負載電壓峰峰值，紋波電流小于。

5.4 線性調整率測試

負載固定，輸出電流固定，改變輸入電壓值，分別進行測試，分析實際輸出電流值的變化，測試結果如表3所示，由數據分析可知，誤差率低于。

6 結論

本系統利用C8051F040內置D/A和A/D，采用采樣電阻和交流電源電壓檢測雙相反饋，形成閉環控制系統，實現范圍內，誤差和紋波電流低于、負載調整率和線性調整率的誤差率都小于的高精度、高穩定性的恒流源。