基于 SPCE061A单片机控制的直流恒流源的设计

麦 冬 王建华 谢 飞 周 鹏

电能变换技术是一种应用功率半导体器件,综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展,电能变换技术又与现代控制理论、微机原理、单片机、微电子技术等许多领域密切相关。当前,电能变换技术正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。随着各行各业的迅猛发展,对电能变化提出了更高的要求。而本设计利用功能较强、兼容性好、性价比高 SPCE061A单片机为核心控制器,设计出具有精度高、性能好、性价比高、稳定性好、智能化程度高的数控直流恒流源,所以新型、自动化程度高的电源成为近年来科技领域中相当受重视的领域。

1 主电路的设计

凌阳 SPCE061A单片机功能较强、兼容性好、性价比高,具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗小以及具有较高的数据处理和运算能力,系统最高时钟频率可达 49MHz,运行速度快,而且由于凌阳 SPCE061A单片机内部集成了 A/D、D/A转换器,不需外加 A/D、D/A器件[1]。通过采样取样,结合内部 A/D、D/A,构成闭环反馈调整控制,此种方案既能实现智能化的特点,简化硬件电路,提高测量精度,同时也能利用软件对测量误差进行补偿,这给调试、维护和功能的扩展、性能的提高,带来了极大的方便。采用 SPCE061A实现系统框图,如图 1所示:

图1 SPCE061A实现系统框图

2 软件硬件电路设计

SPCE061A系统工作原理为:当有键盘按键对电流值进行预置时,SPCE061A单片机把所预置的数值送到液晶显示器显示,同时作为电流源的给定值,并输出相应的数字信号,通过 D/A转换,使数字信号变成模拟电流信号,此电流信号经 I/V模块转换成相应的电压信号,此电压信号经过压控恒流元件场效应管 IRF640来产生相应的电流值,场效应管的漏极电流即为恒流源的实际输出电流[2]。场效应管的漏极电流近似于源极电流,源极电流经过采样电阻后转化为电压信号,凌阳 SPCE061A单片机采集此信号,作出相应的调整处理后输出显示,作为电流源的自测表的输出值[3]。系统的硬件连接图如图2所示。

图2 系统硬件连接图

2.1 硬件设计

本系统硬件电路主要包括凌阳 SPCE061A单片机最小系统、键盘与显示电路、I-V模块、压控恒流源电路、电源电路等。下面分别说明各个电路模块。

2.1.1 数模、模数转换器设计

根据系统要求计算,D/A最少必须达到 11位,凌阳单片机 SPCE061A内部集成有两个 10位 D/A和七路 10位 A/D可供使用。10位 D/A的精度是1/1 024,而题目要求输出电流 2A的时候步进值为1mA,即精度至少为 1/2 000。考虑到 SPCE061A有两个内部集成的 10位电流型输出 D/A,若把两个10位 D/A并联使用,步进时交替加 1或减 1,则精度可达到 1/2 048,即相当于一个 11位 D/A的精度,完全满足要求,又节约了外部硬件资源,可大大提高整个系统的性价比。

2.1.2 压控恒流源电路设计

压控恒流源是系统的重要组成部分,它的功能是用电压来控制电流的变化,由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高,所以选好压控恒流源电路显得特别重要。电路原理图如图 3所示,该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管 Q1、采样电阻 R2、负载电阻 RL等组成[4]。

图3 压控恒流源原理图

电路中调整管采用大功率场效应管 IRF640,采用场效应管,更易于实现电压线性控制电流,既能满足输出电流最大达到2A的要求,也能较好地实现电压近似线性地控制电流。因为当场效应管工作于饱和区时,漏电流 Id近似为电压 Ugs控制的电流,即当 Ud为常数时,满足:Id=f(Ugs),只要 Ugs不变,Id就不变。在此电路中,R2为取样电阻,采用康铜丝绕制(阻值随温度的变化较小),阻值为 0.35欧。运放采用 OP-07作为电压跟随器,UI=Up=Un,场效应管 Id=Is(栅极电流相对很小,可忽略不计)所以I0=Is=Un/R2=UI/R2。正因为 I0=UI/R2,电路输入电压 UI控制电流 I0,即 I0不随 RL的变化而变化,从而实现压控恒流。

2.1.3 键盘显示电路设计

键盘采用普通的 4×4矩阵式键盘,共有 16个按键,选取凌阳 128×64点阵式 SPLC501液晶显示模块[5]。这种显示方式非常直观,用户可以从显示器上看到很友好的界面,而且点阵式 LCD的显示内容非常灵活,用户可以同时从显示器上看到汉字提示和两个电流值:其一为预先设定的电流值,即期望值;其二为输出电流的实测值,正常工作时两者相差很小。一旦出现偏差较大的状况,在一定范围内系统能自动调整,使误差满足精度要求。

2.1.4 电源电路设计

设计电源时既要保证电源的高稳定度,也要保证电源能输出大于 2A的电流,故本系统采用三级管扩流,而且在使用电源时必须充分考虑电源的效率。电源电路采用 LM317和 LM337,其输出电压是连续可调的,输出电压调到为 +15V和 -15V来供给硬件电路使用,其中 -15V的电源是供运放使用,不需要扩流;而 +15V的电源的负载电流要求不低于2A,所以采用三级管扩流,另外用 LM7805产生 +5V的电压供凌阳 SPCE061A单片机使用[6]。

2.2 软件设计

首先初始化系统,即凌阳 SPCE061A单片机系统的初始化,液晶显示器显示欢迎界面“数控恒流源HuaQiao University”,D/A、A/D模块的初始化;系统默认设定值为 1 000 mA;然后凌阳 SPCE061A单片机便不停地进行键盘扫描,根据扫描得到的键值进行相应地操作[7],见图 4主程序流程图。

图4 主程序流程图

3 系统的测试

3.1 测试方法

测试仪器主要采用台湾固伟电子负载和 4位半数字万用表进行测试,是将各个模块连接,然后进行预设电流值和实际输出电流值对比测试,记录两者之间的偏差,并进行软件修正。

3.2 误差测量

3.2.1 负载为 1欧姆测量数据如表 1:

表1 负载为 1欧姆其测量数据

3.2.2 负载为 5欧姆测量数据如表 2:

表2 负载为 5欧姆其测量数据

3.2.3 负载为 10欧姆测量数据如表 3:测试记录中的 I和 U分别为流过负载电阻 RL的实测电流值和 RL两端电压值。测试电路如图 5所示:

表3 负载为 10欧姆其测量数据

图5 压控恒流源测试

经测试:在负载一定下,预设电流值与实际输出的电流值相对误差保持在 0.74%,相对误差很小,精度很高。随着负载的变化,预设电流值与实际输出的电流值几乎不会产生很大的影响,有很强的稳定性能。

4 结束语

随着电力电子技术的飞速发展,现代直流电源正朝着高精度、高功率因数、模块化、全数字化的方向发展。实现高精度的有效途径是采用软开关技术数字信息处理的任务在很大程度上需要由单片机来完成,随着单片机的开发与费用的下降,单片机技术已成为人们日益关注并得到迅速发展的前沿技术。本文基于单片机控制技术,设计出高精度、高性价比、高智能化、好性能、好稳定性的开关电源,并就其研发过程中涉及的硬件电路设计、SPCE061A技术等方面进行了探讨。本文所设计的直流电源是切实可行的,可以作为精度要求较高的一类负载的电源等,具有广阔的应用前景。

[1] 张毅坤.单片微型计算机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1998:75-89.

[2] 丁道宏.电力电子技术[M].北京:航空工业出版社,1999:127-128,172-178.

[3] 余锡存.单片机原理及接口技术[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2000:14-25.

[4] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2002:135-136.

[5] 赵同贺,刘军.开关电源设计技术与应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2007:3-13.

[6] 夏继强.单片机实验与实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001:102-045.

[7] 安德宁.单片微型计算机原理接口与应用(第一版)[M].北京:北京邮电大学出版社,1996:49-57.