用于压磁传感器的精密程控恒流源设计

摘要：目前很多由分立元件构成的恒流源电流有限，稳定度较差，容易受到元器件参数变化和环境变化的干扰，并难以调节。在此采用闭环控制原理，利用单片机控制ADC和DAC转换模块，达到恒流的目的，并可以根据需要，通过代码改写实现电流的预置。克服了以往分立元件构成的恒流源不稳定的缺点，在实际应用中，达到了良好的供电效果，在多次实地测量中圆满完成任务。
关键词：程控恒流源；电路设计；应力测量；压磁传感器

0 引言
    恒流源在测量领域和工程技术中都有着重要的用途，目前恒流源的设计方法有多种，最常见的是场效应管恒流源和二极管恒流源，但其电流值有限，稳定度较差，并且难以调节，在文献中对此做过一定的论述。本文将介绍一个新型实用的恒流源电路，用于压磁传感器的测量，并详细说明其工作原理。

1 程控恒流源系统的设计
    由于温度对集成电路参数的影响不如对晶体管和场效应管的影响显著，本设计尽量采用集成电路取代分立元件。本文提出的恒流源以单片机为核心，结合ADC和DAC转换，实时采集工作电流，并送单片机进行计算处理，然后输出合适大小的电压，使传感器工作在恒流状态。程控恒流源原理图如图1所示。

2 程控恒流源电路的设计
    程控恒流源由1 MHz有源晶振产生正弦波后经2片串联的74HC390进行1 000分频后得到1 kHz的方波，该方波再由五阶低通滤波芯片MAX-7410转化为正弦波，送往乘法器AD734AQ的X1管脚。传感器的实时工作电流由电流互感器采集转换成电压信号后，由真有效值芯片AD736转化为正弦电压信号的有效值，再由程控D／A转换芯片LTC2606将电压的数字信号传送给AT89S52单片机进行计算处理，处理结果由A／D转换芯片AD7705转换成模拟信号输出到乘法器AD734AQ的Y1管脚。2个信号相乘后经功率放大器TDA2040和变压器供给传感器工作。
    电路中的关键部分是以单片机为核心的ADC和DAC模块，其电路图如图2所示。

    其中，LTC2606和AD7705的参考电压输入管脚接AD780电压转换芯片，以提供可靠的参考电压。

3 程控恒流源工作原理
    整体电路的工作原理可由式(1)、式(2)说明：
    
    式中：U基 为乘法器X1管脚的输入电压；U信号源 为乘法器Y1管脚输入电压的有效值；A乘法器 为乘法器增益；A放大电路 为功率放大电路和变压器总的电压增益；R传感器为压磁传感器的等效阻值；I为传感器的实时工作电流；i为电流互感器线圈匝数比的倒数；R采集 为电流互感器采集电阻阻值。
    传感器的初始阻值、U信号源、A乘法器、A放大电路、i和R采集 在硬件电路搭接完毕后为确定已知，因此当R传感器 随着测量的进行产生变化时，I也会随之变化，所以只要通过反馈电路即时改变U基，即可达到传感器恒流工作的目的。本设计通过单片机可计算得出所需的U基。具体计算过程如下：
    先计算出传感器即时工作电流：
    
    然后根据工作电流求出变化后的传感器阻值：
    
    最后根据当前传感器阻值求出使之在I设定 下工作需要的U基。I设定 为传感器规定的工作电流。
   

4 程控恒流源的程序流程图
    程控恒流源的程序流程图如图3所示。

5 结语
    综上所述，该程控恒流源有如下优点：
    (1)在程序代码中，根据硬件电路设定相应计算参数后，即可通过程序精确控制，达到良好的恒流效果，从而满足压磁元件恒流工作的要求，并适用于各种阻抗类传感器。当传感器变更时，只需改变代码中相应参数即可。
    (2)尽量避免使用分立元件，多采用集成电路，克服了分立元件容易受到环境变化影响的缺点。
    (3)A／D和D／A转换芯片均采用16位精度，提高了恒流源的可靠性。
    本设计利用反馈原理，使用现代集成电路代替分立元件，并加入代码精确计算控制反馈输出量，使得恒流源能达到很好的恒流效果。