基于电流采样反馈调整的电流控制

基于电流采样反馈调整的电流控制

低纹波和高精度稳定瑞利流源是一项重要的特种电源，在科学研究和经济发展中得到了越来越大的应用。本文设计一种新型数控直流电流源,采用电流采样反馈调整控制技术,由于单片机进行反馈调整控制,使该直流电流源系统具有可靠性好,精度高,稳定性好等优点。1a/d转换控制系统主要由放大电路,A/D转换电路,单片机,D/A转换电路,稳压电源,恒流源等组成(如图1所示)。为了得到稳定的恒流输出,系统采用闭环控制的方式进行处理。即通过采样电阻将电流信号变成电压信号,电压值的大小反映了电流的强弱;再进行A/D转换,单片机根据电压值转换为对应的电流值,与预置值比较,调整D/A转换的输入数字量,通过D/A转换的电压控制输出电流,从而达到恒流的目的。同时,系统通过按键可以对电流进行设置,并经由1602液晶显示器同时显示预置的电流值和实测值。由于采用闭环控制方式,其输出电流纹波小,精度高、稳定性能好,能够消除器件老化、温度漂移等原因造成的输出误差对测量系统的影响,满足系统设计的要求。2系统设计与理论分析2.1稳压电源模块2.1.1脉动系数o1m单相桥式整流是由4个二极管组成,其构成原则就是保证在变压器副边电压U2整个周期内,负载上电压和电流的方向始终不变。该全波整流的输出电压平均值,根据谐波分析,桥式整流电路的基波UO1M的角频率是U2的2倍,即100Hz,因此脉动系数为,这种电路脉动系数小,效率相对较高。滤波稳压电路采用三端固定式稳压器7815,市电经变压器降到交流17V,再经过单相桥式整流变成脉动直流,这时含有较大的谐波成分,需要接电容滤波电路,将电压变成平滑的直流电压,电容量大小可根据纹波电流要求设定,按设计要求恒流源输出要达到2A,这就使得电源能输出2A的电流,而7815只能输出1A的电流,考虑到三端固定式稳压器7815允许并联使用(如图2所示),因此采用7815并联的方式给达林顿管供电,以达到电流输出2A。2.1.2纹波电流分析及滤波容量的选择2.2达林顿管电源恒流源电路如图3所示,是由达林顿管TIP122、运算放大器OP07、电阻R1和R2组成(阻值均为1Ω,其中R2为标准电阻,作用是将电流变成电压供A/D采样)。达林顿管电源VCC接两个7015并联输出的直流15V电压。单片机控制D/A输出模拟量到OP07正相端,利用运放“虚短”的概念,模拟电压等于达林顿管发射极电压,只要发射极电压不变,发射极电流就不变,集电极便有稳定电流输出。R2将电流变成电压,经A/D采样,送到单片机进行数据处理,与预设值比较之后控制D/A输出,形成闭环控制。根据瞬时极性法判断该电路为电流串联负反馈,起到稳定电流的作用。2.3预测器、碱性预测器和显示模块总过程实现流程图如图4所示。2.3.1显示模块的设计键盘采用矩阵键盘,由单片机的P0口进行控制。首先将P0口低四位中的一位置0,其余位全置为1,通过对P0口的高四位进行扫描来确定哪一按键按下,最后将该按键所代表的数字存储起来以供其他设备调用。控制器为80c51单片机提供了有限的I/O口,采用矩阵键盘能够节省I/O口的使用。显示模块主要采用128*64液晶显示模块,该模块低电压低功耗,其显示分辨率为128*64,内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集,利用该模块的接口方式灵活、简单方便。键盘实现流程如图5所示。2.3.2矩阵盘盘添加大量电流值电流预置是靠键盘、D/A及恒流电路实现的。首先,在矩阵键盘上按下所要预置的电流值,12864显示器读取键盘值并显示出预置值。预置电流经D/A送到恒流电路的发射极从而来控制恒流电路输出相应的预置电流。2.4a、d和d-a的转换模块2.4.1增益编程放大器ad805为了达到本设计的精度要求,A/D模块采用16位的AD7705。AD7705由多路模拟开关、缓冲器、可编程增益放大器(PGA)、Σ-Δ调制器、数字滤波器、基准电压组成,该器件具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点。AD7705片内的增益可编程放大器可选择1、2、4、8、16、32、64、128八种增益之一,并可利用它将不同幅度范围的各类输入信号放大到接近A/D转换器的满标度电压再进行A/D转换。该应用电路中不使用放大电路,因此有利于提高转换质量。具体连接结构如图7所示。2.4.2/a滤波器为了实现步进1mA的要求,本设计使用TLV5638芯片,该芯片是基于电阻串结构的12位D/A转换器,主要由串行接口、速度和掉电控制逻辑、可编程内部参考基准、满幅度输出缓冲器、上电复位电路、电阻串及寄存器A\B组成,上电复位功能可确保重复启动。使用TLV5638不仅能够达到设计的精度要求而且DAC的建立时间是可编程的,允许设计者优化其速度与功耗。具体连接图如图8所示。2.5a/d转换电路为了实现恒流源输出电流能够按某一特定步进值步进,添加步进模块。这一模块主要是靠单片机控制实现的,首先单片机控制D/A的输入值,D/A的输出控制恒流源电路的基极电压,从而恒流源电路输出的是步进之后的电流值。A/D转换对发射极电压进行采样,经电压-电流计算转换后,送入12864显示器显示。Di=4000*Ub;Ub=0.7+(I+I1)*1=0.7+I+I1(步进加)或Ub=0.7+(I-I1)*1=0.7+I-I1(步进减)。(Di为D/A的输入值,Ub为恒流电路的基极电压,I为恒流源电路步进之前输出的电流值,I1为步进值)D/A的参考电压为1.024V。3电流输出的测量本文设计的数控直流电流源可以实现以下功能:1)输出电流范围:2~2000mA;2)具有“+”、“-”步进调整功能,步进1mA或10mA。3)显示输出电流的装置(同时显示电流的给定值和实测值),测量误差的绝对值≤测量值的0.1%+3个字;4)改变负载电阻,输出电压在10V以内变化时,输出电流变化的绝对