基于单片机控制的高精密直流电流源的设计 - 李茂清 pdf - 图文

第 34卷第 2008年 1 月 1期

电子 工 程师

Vol.34No.1

Jan.2008 ELECTRONICENGINEER

基于单片机控制的高精密直流电流源的设计

李茂清 , 柯 淋

1

2

(1.宜宾职业技术学院,四川省宜宾市 644003;2.电子科技大学 ,四川省成都市 610054)

摘 要 :详细阐述了用单片机进行高精密直流电流电流源的设计, 该电流源采用 AT89S系列 52 单片机控制 ,使用 D/A输出、A/D采样, 形成闭环控制系统。实验结果表明 ,本系统具有输出电流范围 大、运行稳定、电流纹波小、控制响应快等特点 ,系统输出最大电流值为 5 A,精度高达 10

[ -3]

A。

关键词 :直流电流源;单片机;DAC714;TLC2543 中图分类号 :TN86

收稿日期:2007-04-16。

0 引 言

高精密电流源能为精密仪器提供精度较高的电流 供给, 适用于半导体和材料科学研究中各种电阻的自 动测量任务。具体应用中 ,对电流源的精度、可控性要 求较高 ,使用单片机控制的高精密电流源设计 ,相对于 现行的其他设计方法而言 ,可以较好地满足上述要求, 并且具有设计容易、性价比高、开发周期短等特点。本 设计使用了 ATMEL公司生产的 AT89S系列高性价比 的 52单片机进行设计 ,体积轻小 ,实用性强,具有很好 的应用前景。

1 系统组成及工作原理

本设计通过 AT89S52单片机实现对 D/A转换芯

片 DAC714和 A/D转换芯片 TLC2543的控制, 来产生 直流电压信号, 经输出采样电路的电压 /电流转换、放 大 ,输出稳定的直流电流。系统中使用 D/A输出、A/ D采样 ,与主控单片机形成闭环控制系统。可用键盘 进行电流数值设定, 用 LED(发光二极管 )进行显示。 如图 1所示。

图 1 系统框图

2 系统硬件电路设计

2.1 键盘及显示电路

预设电流值用 4 ×4矩阵键盘进行输入, 用 P0口

进行扫描,因单片机的 I/O口比较充裕 ,所以采用性价 比较高的三 -八译码方式对 4个独立的 7段 LED进

行译码和驱动 , 74LS138译码器多余引脚用做扩展端 预留。具体接法如图 2所示。

图 2 键盘及显示电路原理

2.2 闭环系统

以 AT89S52单片机作为控制核心 ,用 P2.0 ～ P2.3 作为 DAC714 的时序控制线, 用 P2.4 ～ P2.7 作为 TLC2543的时序控制线。其接口电路如图 3所示。

图 3 DAC714和 TLC2543与单片机接口电路

DAC714输出引脚 VOUT根据单片机写入的数

据 输出直流电压,然后经输出采样电路 ,使负载获得直流 电流,为了让负载获得精确的直流电流 ,通过 TLC2543 采样电阻 R0上的电压得到采样数据并送入单片机, 单片机通过算法更新写入 DAC714 的数据, 从而更新 输出电流, 保证了负载的稳定。输出采样电路如图 4 所示。

谨慎选取和焊接采样电路中 R0、T1、L几个关键

元件是本系统的重点, 图中采样电阻 R0 必须使用高 精密大功率电阻 ,因为 R0在电路中有两大作用:一是

通 过 R0将电压转换为电流 , 如果 R0精度过低 , 将直

· 47·

· 基本电子电路· 月

电子工 程 师

2008年 1

接引起输出电流偏离预设值 ;二是 TLC2543通过采样 R0上的电压值为单片机进行闭环控制提供数据。因 本设计最大输出电流为 5 A, 所以 R0 的功率应足够 大。本系统用的是精度为 0.1%、功率为 25 W的 1 Ψ 精密电阻, 因 TLC2543 采样输入脚和运放 OP07 负输 入端的输入电阻均为兆欧级以上,所以 TLC2543对 R0 采样时不会有任何影响。电路中 T1 也应选取大功率 管 ,本系统采用集电极电流可达 25 A、集电极耗散功 率为 120 W的 NPN型管 2SD2256。电路中 L应选取 电感量较大和承受电流值较大的电感 , 以达到良好的 滤波效果。

图 4 输出采样电路

mV。由 于本系统输出电流为 0 ～ 5 A, 所以只使用表 1 中 8000H～ FFFFH与输出的对应关系 。由表 2 可知, TLC2543的分辨率为 5 /2 ≈1.22 mV。 48· ·

12

在实际连接此电路时, 接地的方法对输出电流将 产

生很大影响,因为负载 RL上的电流等于 R0上的电 流 ,而 R0 上的电流值等于 DAC714输出电压除以 R0 的阻值 ,假设 DAC714输出电压为 1 V, R0的一端到地 的电阻为 0.1Ψ, 则 R0上的电流值为 :IR0 =1 /(1 +

0.1)=0.91 A, 与预设值 1 A相差 0.09 A。由此可 见 ,

若电路接地方法不当将引起很大的误差结果。所 以 ,在本设计中, 适合采用单点接地 , 且各接地线应尽 量短和粗。同时 ,使用散热片对 R0和 T1进行良好的 散热。

3 闭环系统实现恒流控制过程

TLC2543第 14脚 REF+为模拟输入的正基准电 压端, 13脚 REF-为负基准电压端 ,这 2只引脚的电 压差决定了最大输入电压值。本系统将 REF+接于

+5V, REF-接于 0V, 所以 VmaxIN =VREF+ -VREF- =

5 V。 DAC714 被设置为输出 0 ～ +10 V。 表 1 为

DAC714工作于单极 0 ～ +10 V输出模式下的数据输 入与输出电压对应关系。表 2 为 TLC2543输入电压 与输出数据的对应关系。

由表 1可知 ,当 DAC714工作在单极 0 ～ 10 V输 出模式时,输出电压分辨率为 10/2 ≈0.153

16

表 1 DAC714数据输入与输出电压对应关系

输入数据 7FFFH

4000H

0001H 0000H FFFFH

C000H

输出电压 /V +9.999 847

+7.500 000

+5.000 153 +5.000 000 +4.999 847

+2.500 000

0.000 000

8000H

表 2 TLC2543输入电压与输出数据的对应关系

输入电压 /V 0 ～ 0.001 22 0.001 22 ～ 0.002 44

输出数据 000H 001H

FFFH

4.998 78 ～ 5.000 00 下面以一例详细介绍系统闭环控制原理及过程, 如图 5所示。

图 5 闭环系统实现恒流控制过程

图中:Iuser为用户预设电流值 ;Icrent为当前实际输

出电流值;Cuser为用户预设电流值的初始控制数据;Cin 为单片机写入 DAC714的控制数据字;Cout为 TLC2543 采样数据;Ceror为 TLC2543采样值与预设值的误差 ,初 始值为 0。

由图 5中的算法可见, 该闭环控制电路能有效地

更正因各种原因产生的输出误差, 保证了电流源的稳 定度和精度。在进行数据测试时发现 , 当用户键入预 设值并按确定后, 输出电流在前 2 s内不断更新 , 3 s

第 34卷第 1期 李茂清, 等:基于单片机控制的高精密直流电流源的设计

· 基本电子电路·

后输出电流基本稳定不变, 仅有第 4位稍有跳变 ,即输 出精度为 10 A。可见 ,由于系统内、外部引起的误差 是存在的,但经过闭环系统的控制稳定了输出。

-3

理 ,更新显示、输出等有关数据。

5 结束语

本文阐述了利用单片机进行高精密直流电流源的 设计过程,所设计的电流源精度为电流值 10

-3

4 单片机软件设计

图 6为系统软件设计流程图。

图 6 系统软件设计流程

A。验 证通过 ,性能稳定 ,适用于半导体和材料科学研究中各 种电阻的自动测量任务。此外, D/A与 A/D配合使用 的方法及相关算法适用于其他同类应用 ,也具有很好 的实用性和通用性。

参 考 文 献

[ 1] 单片机原理及其接口技术[ M] .2版.北京:清华大学出版

社 , 2004.

[ 2] 张友德, 赵志英.单片微型机原理、应用和实验[ M] .上海: 复旦

大学出版社, 1992.

[ 3] 武汉力源单片机技术研究所.特殊集成电路应用手册

[ M] .1993.

空航天大学出版社, 1991.

[ 4] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计 [ M] .北京:北 京航

上电后,单片机首先初始化 ,显示初始值为 0, 其

次扫描键盘 ,查看是否有键按下 ,有键按下则进行按键 处理, 然后送显示数据到 LED,接着写入到 DAC714的 控制字 ,即为 LED显示值的对应数据, 单片机再通过 TLC2543采样数据, 并对采样值 、预设值进行运算和处

[ 5] 周杏鹏.XTR110单片精密电压-电流转换器的原理与应用

[ J] .自动化仪表, 1996, 17(9):38 ～ 40.

李茂清(1983-), 男, 教师, 研究方向为电子设计与自动控 制。

DesignofHighAccuracyDCCurrentSourceBasedonMCU

LIMaoqing, KELin

(1.YibinVocationalandTechnicalColege, Yibin644003, China;

2.UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina, Chengdu610054, China)

1

2

Abstract:ThispaperelaboratesindetailhowtodesignthehighaccuracyDCcurentsourcebyusingthe 89Sseries52 MCUascontroler, usingtheD/Atooutput, andtheA/Dtosampling, thus, itformsthe closed-loopcontrolsystem.Theexperimentalresultshowsthatthecircuithasmanycharacteristics, forin-stance, thescopeofcurrentoutputisratherbig, thestabilityfunctionisquitegood, theripplenoiseisvery smalandresponsetimeisshortandsoon;Thesystemoutputmaximumcurrentvalueis5 A, theprecision reachesashighas10 A.

-3

Keywords:DCcurentsource;MCU;DAC714;TLC2543

· 49·

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/k62d.html