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高精度的程控恒流電源在儀器儀表、傳感器技術(shù)和測試領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛的應用。以往程控恒流源電路大都采用PWM脈沖方式，雖便于控制和調節，但精度難以保證，并且PWM方式的波形占空比調節范圍有限，難以滿(mǎn)足連續可調大電流的要求。本文介紹一種采用STC89C52單片機控制壓控恒流源并通過(guò)擴流電路來(lái)實(shí)現恒流源程序控制的方案，其輸出電流值可達2A。 程控恒流源的構成和工作原理 程控恒流源電路由壓控電路、擴流電路和數控電路組成，結構如圖1所示。 
圖1 程控恒流源電路的組成框圖 本恒流源電路采用STC89C52控制D/A轉換電路產(chǎn)生電壓控制信號，通過(guò)1個(gè)精密線(xiàn)性壓控電流源和擴流電路輸出所需的電流值；取樣電路采樣后經(jīng)A/D轉換由數控電路讀出，然后送到顯示控制電路顯示；同時(shí)，取樣電路給壓控電流源提供電流負反饋以進(jìn)一步穩定電流輸出。 程控恒流源電路設計 1 數控電路的設計 數控電路采用由STC89C52構成的單片機最小系統來(lái)負責對D/A、A/D的控制，以及按鍵響應和LED的顯示。模塊內的數字電路和模擬電路各自采用獨立的穩壓電路供電，以減小數字電路高頻峰值電流對模擬電路的影響，可以很大程度上降低D/A輸出的紋波電壓。 本設計中的D/A轉換電路采用MAX531，使用其內部自帶的2.048V基準源，D/A轉換的分辨率為0.5mV，加在1Ω的取樣電阻上就可以分辨出0.5mA的電流（步進(jìn)0.5mA）。 A/D轉換電路采用MAX1241，與MAX531使用同一基準源。A/D轉換的分辨率為0.5mV，取樣電阻為1Ω時(shí)，測量電流的分辨率為0.5mA（可根據步進(jìn)和測量精度的實(shí)際要求，選擇D/A、A/D轉換器的位數和參考電壓）。 由于要實(shí)現人機對話(huà)，至少要有10個(gè)數字按鍵和2個(gè)步進(jìn)按鍵，考慮到還要實(shí)現其他的功能鍵，選用16按鍵的鍵盤(pán)來(lái)完成整個(gè)系統控制最合適。顯示部分采用8位LED數碼管，其價(jià)格便宜，易于實(shí)現�？紤]到單片機的I/O端口有限，為了充分優(yōu)化系統，采用外部擴展1片8155來(lái)實(shí)現鍵盤(pán)接口與顯示功能。 2 壓控電流源的設計 壓控電流源的負反饋放大部分有1個(gè)精密運放構成的同相放大器，引入深度的電流負反饋，從而穩定輸出到負載的電流，如圖2所示。運放正常工作于同相放大狀態(tài)時(shí)，由運放虛地的原理可知取樣電阻上的電壓：U2=Uin，因此I2=U2/R2=Uin/R2。因為采用高輸入阻抗的放大器，反相輸入端的電流近似為零，負載電流IL=I2=Uin/R2。只要擴流電路性能好，輸出電流的精度完全取決于取樣電阻的精度。
圖2 壓控電流源電路原理圖 3 擴流電路的設計 擴流電路選用S類(lèi)功率放大器，原理如圖3所示。其特點(diǎn)是用電壓控制放大器與電流驅動(dòng)放大器構成電橋，使電壓放大器工作在無(wú)負載的狀態(tài)（輸出電流為零），而后級則工作于壓控跟隨器狀態(tài)，很容易實(shí)現很好的跟隨作用。而對于負載來(lái)說(shuō)，前后級是并聯(lián)輸出的，而負反饋是從取樣電阻引出送回前級放大器上的。因此，S類(lèi)功放的質(zhì)量取決于前級。
圖3 S類(lèi)功放擴流電路原理圖 S類(lèi)功率放大電路的核心是1個(gè)帶負載能力很強的電流驅動(dòng)放大器，與負載之間通過(guò)電橋耦合。假設放大器的開(kāi)環(huán)增益接近無(wú)窮大，那么放大器兩輸入端的電壓將極度接近，用公式表示為：I1R1=I2R2,I3R3=I4R4。 若放大器輸入阻抗無(wú)窮大，放大器兩輸入端的電流近似為零，則I2=I4，可得，I1=I2R2R3/R4R1；電橋平衡時(shí)，R2R3=R4R1，所以I1=I2，因此I1=0。 根據以上推導，說(shuō)明當S類(lèi)功率放大電路穩定工作后，前級放大電路工作在空載或輕載狀態(tài)，負載所需要的電流完全由后級的電流驅動(dòng)放大電路提供。這樣，電路對前級壓控電流源的負載要求不高。 綜上所述，只要選擇高輸入性能和強負載能力的后級功放芯片，輸出的變化完全由前級決定。而前級工作在空載狀態(tài)，其性能基本與負載的變化無(wú)關(guān)。這樣在設計前級時(shí)，可以?huà)侀_(kāi)負載能力的考慮而直接使用高精度、低失調的運算放大器；設計后級時(shí)，因為輸出取決于前級，不必擔心負載的加入會(huì )影響它的工作性能，選擇范圍變得更寬。 基于S類(lèi)功放電路的設計原則，為保證電路的可靠性和足夠的性能，采用高品質(zhì)功放芯片LM3886，其各項電氣性能非常接近理想放大器，并且有足夠的輸出功率。 測試結果表明，無(wú)論是大電流還是小電流，負載阻值的改變對系統的影響都比較小，說(shuō)明系統達到恒流這一基本要求。 結語(yǔ) 該程控恒流源的主要特點(diǎn)是采用S類(lèi)反饋控制放大電路，實(shí)現精密電流控制，具有操作方便、穩定可靠等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)際測試性能優(yōu)越。 作者：鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系 于軍 |
