基于C8051F040数控恒流源的设计与实现

摘要：文章介绍了一种基于C8051F040为控制核心的数控恒流源，利用内置D/A输出电压实现电流高精度调节，通过内置A/D采集采样电阻电压和交流电源电压形成闭环控制，通过LCD显示预设电流值和实测电流值。经测试，输出20～1500mA电流时，系统误差小，负载调整率和线性调整率低。

1 引言

在现实的生活和实验中，要用到各式各样的电源，电压电流要求各异。如何设计一个电压稳定，输出电流精度高的电流源，成了电子基础应用的热点。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向、是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。数字化电源模块是针对传统电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。为达到一定的标准，本文采用C8051F040单片机作为控制核心，通过其内置的D/A输出电压对电流进行调制，大大提高电源的输出精度。

2 系统总体设计

本系统采用C8051F040为控制核心，通过键盘预设输出电流，应用内置D/A和A/D进行电流和电压信号的输出与采集，通过外接LCD显示预设电流值与实际输出值。故系统由控制模块、键盘输入模块、显示模块、恒流源模块、负载电源模块、交流电源电压检测模块等组成。系统结构框图如图1所示。

3 各模块设计

3.1 控制模块

本系统采用键盘输入方式，以各种步进值(1mA、10mA等)预设电流值，C8051F040读取预设电流值，经过运算得出对应的数字输出量，再经D/A转换器输出对应的精密电压信号Vs，Vs作为恒流源模块的控制电压模拟量，实现对恒流源输出电流的精确调节(20mA～1500mA)。

同时C8051F040控制LCD输出预设电流值和实际电流值;利用A/D监测输出电流值和交流电源电压值，形成闭环控制，提高输出精度和稳定性。

3.2 恒流源模块

理想电流源的输出电流只按其自身规律变化，与外电路无关。如图2所示、其中Vs是恒流源输入电压，Vo为输出电压。根据运算放大器的虚短原则即(V+=V-)，则Vf=Vs，又根据运算放大虚断原则(运放的+、-端输入电流I+=I-=0)，则流过电阻R1和R2的电流都应是Io，Io便是设计要求的恒流源输出电流。因为Vf=IoR2，并且Vf=Vs，所以Io=Vs/R2，由此可知，当R2一定时，Io与Vs成正比，当Vs变化时，随线性变化。因此，图2所示的恒流源电路是一个线性电路。为了调节输出电流Io，方法之一就是固定R2不变，调节Vs，当Vs变化时，电流Io随Vs成正比例地变化。数控模块的D/A转换器可以精确提供这个可变的Vs。

可见输出电流仅与控制电压和电流取样电阻有关，且成线性关系。

恒流源模块分为线性调节输出和大功率驱动元件两部分组成。下图3为恒流源电路图，图中R2，R3，R4和运放等组成电流调整电路，由R7、R8分压，D/A控制输出电压加在跟随器输入端，R3、R4并联组成采样电阻，可调电阻R3用于微调采样电阻，采样电阻将输出电流转换为电压。依据Io=Vs/R2，选择R2=1Ω，当Io=1500mA时，Vs=1V。所以，D/A输出Vs的范围为0～1.5V。R6为限流电阻，当需要调高输出电流时，D/A输出电压增加，运放输出电压升高，Q1导通程度增加，导致输出电流增加。当需要调低输出电流时，D/A输出电压减小，运放输出电压降低，Q1导通程度减小，导致输出电流减小，为了系统准确性高，取样电阻采用高精度大功率锰铜丝。

3.3 交流电源电压的监测

为使系统输出电流精度高、稳定性强，通过采集交流电源电压，形成闭环控制。

交流采样算法采用均方根算法，交流电源电压检测电路如图5所示。

3.4 LCD显示与键盘设计

采用LCD显示器显示预设电流值、实际电流值、误差等。系统采用128x64点阵12864液晶显示器，可显示汉字和图形，设计友好的显示界面。键盘设计采用4个按键，利用菜单模式，实现各种参数设置(如任意步进的设置)，其接口简单控制方便。

4 软件设计

主程序流程图如图6所示。

5 系统测试

系统实物图如图7所示，外接电源和负载分别进行误差、负载调整率、纹波电流和线性调整率测试。

5.1 误差测试

在范围内选定5个值进行测试比较，具体数据见表1。由数据分析可知，误差率低于，其中Io为设定值，I1为采样值，I2为电流表实测值，I%为误差率，I%=|I2-I0|/Io× 100%。

5.2 负载调整率测试

输入电压220V不变，设定电流600mA，改变负载电阻值R，分别在5Ω、10Ω、20Ω、50Ω、100Ω测试，测试结果如表2所示，由数据分析可知，误差率低于。

5.3 纹波电流测试

负载设定为，分别测试输出电流为，时，负载电压峰峰值，纹波电流小于。

5.4 线性调整率测试

负载固定，输出电流固定，改变输入电压值，分别进行测试，分析实际输出电流值的变化，测试结果如表3所示，由数据分析可知，误差率低于。

6 结论

本系统利用C8051F040内置D/A和A/D，采用采样电阻和交流电源电压检测双相反馈，形成闭环控制系统，实现范围内，误差和纹波电流低于、负载调整率和线性调整率的误差率都小于的高精度、高稳定性的恒流源。