一种高稳定数控恒流源的设计

1、总第47卷2010年第531期电测与仪表ElectricalMeasurement&InstrumentationVol.47No.531Mar.2010第03期一种高稳定数控恒流源的设计常铁原，朱桂峰，胡重九（河北大学电子信息工程学院，河北保定071002）摘要：设计了一种高稳定的数控直流恒流源。以单片机为控制核心，采用模拟比较器反馈控制和、转换器的数字反馈控制，提高了输出电流的稳定性和精度。经实际测试，该恒流源纹波电流小、步进调整功能可靠。恒流值给定和测试精度、变负载恒流稳定性均基本达到水平。关键词：单片机；恒流源；转换器；转换器中图分类号：文献标识码：文章编号：（）TheDesi

2、gnofaHighStableDigitallyControlledConstant-CurrentSource，（，）Abstract：，Keywords：，引言在半导体器件性能测试、传感器、医疗诊断仪器稳定磁场的产生等领域中，恒流源作为不可或缺的部分，其稳定性和精度的好坏起着至关重要的作用。常见的恒流电流源一般只具有单一的电流值，或有限的几档电流值，通用性不强，且稳定性和可靠性较低。随着计算机技术和电子技术的发展，以单片机为控制核心的数控恒流源在通用性、稳定性以及可靠性方面有着很大的优势，受到了广泛的关注。本文介绍的数控恒流源，是一种基于单片机控制的高稳定数控直流恒流源，其输出电流随负载和

3、环境温度变化小，精度高，稳定性强，且输出电流值可调，具有较高的性价比。1系统组成和工作原理系统主要由恒流源电路、单片机控制单元、和转换电路以及电源组成（见图）。单片机为核心控制单元，通过键盘对电流值进行预置，单片机处理后输出相应的控制信号，经过转换为模拟量，将模拟信号放大以及电平转换后输入压控恒流源电路从而产生相应的电流信号。在本系统中为了提高输出精度和稳定度，采用两0图1系统结构框图Fig.1Systemstructurediagram级反馈控制方案。当有较小的扰动时，模拟比较器部分的反馈控制可以使输出电路达到稳定；当恒定输出电流与设定值偏差较大时，数字反馈控制系统可使恒定的输出电流与设定值

4、保持一致。这两级反馈系统保证了输出电流的稳定性和精度。2硬件设计部分本系统的硬件电路按照功能可以分为恒流源电路和数控电路两部分。恒流源电路是电流生成单元。控制信号通过恒流源电路产生对应的电流。因此恒流源电路的精确性、稳定性以及带负载能力决定着整个系统的性能。数控电路是恒流源的控制单元，其主要功能是对恒流源电路的输出进行控制，实现输出电流-59-总第47卷第531期电测与仪表ElectricalMeasurement&InstrumentationVol.47No.531Mar.20102010年第03期值的可调，以及控制过程和输出结果的可视化操作。2.1恒流源电路为了获得较高的稳定度和

5、精确度，恒流源电路采入单片机与设定值进行比较从而调整输出精度。（）单片机控制器单片机是数控部分的核心，主要是实现电流设定值向恒流源控制信号的转换、输出精度的调整以及操作过程和输出结果的可视化。本系统选用由公司生产的单片机。该单片机是一个低电压、高性能位单片机，片内含的可反复擦写的只读程序存储器和的随机存取数据存储器（），兼容标准指令系统，片内置通用位中央处理器和存储单元，是此系列单片机中应用较为广泛的一款。（）转换器为了实现对电流源输出范围为、分辨率为的步进控制，本系统采用位的转用精密运算放大器作为放大元件，利用绝缘栅的精密功率电阻作型场效应管驱动负载，采样电阻的反馈信号经为采样电阻。电路运行

6、时，送入（）的反相端，送来的控制信号送入的同相端，两个信号经运算放大器比较，若UU，则运放输出为正，使得趋向导通，集电极电流IC增大。再将信号反馈到反相输入端进行比较；若UU，则运放输出为负趋向截止，IC减小。这样的负反馈过程实现恒流值闭环自动调整，保证了输出电流的恒定（见图）。换器。是双通道位电压输出的转换器。为保证输出电压的稳定和准确度，其参考电压电路采用的的精密电压基准，再用一个多圈电位器进行调整到。（）转换器为了对电流源输出的的电流值进图2恒流源电路图Fig.2Constant-currentsourcecircuit根据运放虚短路原理，反相端和同相端电压U与U相等，所以，恒流值I、取

7、样电阻R以及基准电压U之间的关系可由如下公式描述：行测量，利用采样电阻上的压降作为输出电流值的采位、位的转换器都不能样信号。通过计算，满足测量精度在之内的要求，因此选择了位由于采样电阻电压值为的转换器。，所以选用精密电压基准作为的基准电压，可满足测量要求。（）显示模块和键盘设计采用液晶显示器模块可实现设定电流值和输出电流值的显示。其接口电路简单，控制方便。液晶显示器选用的是×点阵控制器的图形型带背光的液晶显示模块，可显示汉字及图形。采用个按键的键盘，不但有精确的、步进，而且还增加了的快速步进，以便于大幅度调整电流设定值时操作。系统通过硬件设定起始值为，用户可以选择合适的步进量方便快捷

8、的到达设定值。3软件设计部分主程序主要负责与各个模块通信，接受键盘的信息，并控制液晶显示器显示设定值和实测值，同时，通过和来调整恒流源电路部分，使它能准确地对电流进行控制。程序开始执行后，首先进行初始化并由键盘显示，通过设定值计算出送给的控制信号值。在调整模块中比较设定值和采样值，若不满足精度要求调整送给的控制信号值，直至满足精度要求为Io=UREFR2因为取样电阻为的精密功率电阻，所以恒流值与基准电压具有直接的线性对应关系，即的基准电压对应的恒流电流值。由于流过的电流最大可达，若外接负载电阻较小，器件的热消耗会比较大；另外，当恒流值为时，基准电阻上的功耗达，这样温升必将会导致基准电阻阻值变化

9、，影响取样精度，进而影响整个恒流源的精度。针对上述问题，对基准电阻、的散热片采用了“吹风机式”冷却风扇进行强制风冷，有效的降低了基准电阻的温升，缓解了的散热问题。2.2数控电路数控电路主要由单片机控制器、转化器、转换器、液晶和键盘构成，实现输出值的设定，以及输出结果由进行显示。通过键盘设定电流输出值，经单片机转化为相应的控制信号输出给，芯片会将实际输出值送对恒流源电路进行控制，-60-总第47卷2010年第531期电测与仪表ElectricalMeasurement&InstrumentationVol.47No.531Mar.2010第03期止。显示采样值，如果有扰动，自动对其调整。

10、有按键按下，显示新的设定值，然后继续执行调整的流程（见图）。载，记录负载电阻分别是，时的电流输出情况。负载调整率反映了恒流源在负载变化时，提供稳定输出电流的能力。由表的测试数据可知，本数控恒流源负载调整率优于。I为负载电阻为时的输出电流，IR为带负载时的输出电流。负载调整率的计算公式为：负载调整率=I0-IRI0×100%表2负载电阻变化时对恒流值的影响测试数据Tab.2Influenceofloadchang/mA20R/0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1/mA I/mA 19.831 19.826 49.88 49.89 49.90 49.89 199.47

11、199.48 499.50 498.98 1000.1 1000.8 1699.84 1699.920.005 0.01/(%)0.02550 0.024测试4.1测试方法（）误差百分率测试为了比较测量值和真实值的误差，我们在之间选定了七个值相比较，测量数据记录如表所示，由测试数据可知，本数控恒流源在以上电流时，测量误差百分率优于。I为恒流源本机测量值，I为位半数字万用表所测电流值，误差百分率计算公式为：II误差百分率×I（）改变恒流源的供电电压对恒流源的影响测试本恒流源供电电压在变化时，输出恒流值未测到明显变化。（）纹波电流测试使用交流毫伏表测试恒流源在、，带负载电阻测试，纹波电流

12、小于（）负载调整率测试。恒流源输入电压为，是用滑线变阻器作为负4.2测试数据分析表1测量值和真实值的测试数据测试数据表明，在范围内，输出电流Tab.1Measuredvaluesandtruevalues与设置电流误差较小，其中在以上电流时，误 /mA /mA /mA I/mA /(%) IÁIÂ差百分率优于；负载电阻变化时对恒流值的影20 20.40 20.488 0.088 0.43响有限，负载调整率优于；当恒流源的供电电压50 49.72 49.81 0.09 0.18大幅度变化时，输出电流基本上不受影响；另外，本恒100 200 500 1000 170099.98

13、 200.10 499.65 999.68 1699.52100.06 199.92 499.80 1000.01 1699.900.08 0.08 0.15 0.33 0.380.08 0.04 0.03 0.03 0.02100 0.01 0.02图3软件流程图Fig.3Programflowchart200 0.01 0.005500 0.52 0.1041000 0.7 0.071700 0.08 0.0047流源的电源模块对于纹波电流的抑制比较有效，纹波电流小于。5结束语本文介绍了一种基于单片机控制的高性能的数（下转第72页）控直流恒流源。它的输出电流可在一-61-总第47卷第531

14、期电测与仪表ElectricalMeasurement&InstrumentationVol.47No.531Mar.20102010年第03期好地实现上开关管的零电压检测，很大程度上消除了开关管的开关损耗，并且该检测方法电路简单，成本很低，为其实际应用奠定了一定的基础。U参考文献刘凤君正弦波逆变器北京：科学出版社，刘凤君现代逆变技术及应用北京：电子工业出版社，徐刚，张素兵，等辅助二极管谐振极逆变器的分析设计与实现王聪，电工技术学报，（）：邹云屏，胡坚刚，等三相辅助二极管谐振极逆变器的研究张贤，通信电源技术，（）：陈国庆，方康玲，刘宇，等一种精密有缘绝对值电路的改进与应用武汉科技大学学

15、报，（）：作者简介：秦森（），男，硕士研究生，从事数控及伺服控制技术研究。：张恕远（），男，副教授，从事数控技术、机电控制等研究。陈小静（），女，硕士研究生，从事机械设计及理论研究。收稿日期：（杨长江编发）图6实验结果Fig.6Resultsofexperiment对的单相桥臂的工作过程进行了实验，捕捉到的谐振波形如图所示，图中的横坐标为时间t为，纵坐标为电压为。由于实验条件有限，实验结果U与仿真结果U还有些出入，但是也从根本上反应出电路的死区特性，进一步验证了理论的可行性。4结论通过研究和实验结果证明，利用此种方法能够很（上接第61页）定范围内任意设定，随负载和环境温度变化小，带负载能力强。采用