基于STM32的高精度程控电流源设计

文 辉,蒋艳英

(1.桂林电子科技大学电子电路国家级实验教学示范中心,广西 桂林 541000;2.桂林电子科技大学信息科技学院,广西 桂林 541000)

基于STM32的高精度程控电流源设计

文 辉1,蒋艳英2*

(1.桂林电子科技大学电子电路国家级实验教学示范中心,广西 桂林 541000;2.桂林电子科技大学信息科技学院,广西 桂林 541000)

针对传统开关型电流源纹波大,精度低的缺点,采用线性稳流结构设计出一种基于STM32的高精度程控电流源。硬件上以STM32单片机为控制核心,以16 bit DAC8830数模转换芯片产生的电压基准作为误差放大器的基准来实现电流源的程控功能,以INA286为电流检测芯片,配合LTC2400模数转换器实现输出电流回读。软件上设计了程控参数输入界面和电流回读界面,设计了SCPI解析器,通过指令实现远程控制功能。结果表明,该程控电流源纹波电流小,输出精度高,具有一定的应用价值。

电流源;电流检测;程控;高精度;SCPI解析器;

低纹波、高精度电流源是一种重要的仪器设备,广泛应用于电光源、电化学、通信、测量技术、电子仪器等领域。目前,市场上的电流源不具备连续可调功能,并且输出电流范围小、精度低、纹波大、价格昂贵。为应对市场需求,本文设计了输出电流为0～5 A,最大功率为100 W的高精度程控电流源[1]。主要技术指标为:电流源工作电压220 V/50 Hz;输出电流范围0～5 A连续可调;线路调整率<0.05%+0.1 mA;负载调整率<0.05%+1 mA;设定准确度≪0.05%+2 mA;回读准确度<0.05%+2 mA;系统设定分辨率为0.1 mA;回读分辨率为0.01 mA。

1 线性稳流原理

数控式线性稳流电路结构如图1所示,它由调整管、误差放大器、电流检测器、D/A、A/D、MCU控制系统组成。当调整管工作在放大状态下,通过控制调整管基极电位,从而控制管压降UCE的大小[2]。为了使输出电流稳定,当负载变化或者输入电压Ui波动时,需要调整UCE,使输出电流保持不变[3]。采用电流检测和误差放大器构成负反馈电路结构来达到稳流目标。假设Ui或RL增大,输出电流增大,电流检测电路输出电压u+增大,若控制电压Uc保持不变,误差放大器输出u0l减小,调整管的管压降UCE上升,使输出电流保持不变[4]。设电流检测电路电压放大倍数为K,由运算放大器的虚短、虚断特性可得

u+=KRI=UC

(1)

从而得到,I=UC/KR。因此,该电路能达到稳流目的。由式(1)可知,通过改变控制电压UC的大小,可改变输出电流的大小。MCU系统通过D/A器件可达到输出电流程控目的。

图1 线性稳流电路原理

2 电流源硬件设计

电流源硬件框图如图2所示,由工频变压器、单相桥式整流滤波、一次稳压、线性稳流、辅助电源、STM32系统、D/A和A/D组成。辅助电源采用LM317、LM337、LM7805、LM7905、AMS1117电源管理芯片,提供电路中芯片正常工作的电压。STM32单片机系统通过D/A控制线性稳流输出,通过A/D读取输出值,从而到达程控目的。

图4 变压器抽头选择电路

图2 基于STM32的电流源硬件框图

2.1 STM32单片机系统设计

采用STM32F407VGT6作为核心处理器。该处理器是基于ARM Cortex-M4内核的低成本处理器,具有丰富的外设资源,主要用于电机控制,自动化,电子测量等应用领域[4]。STM32单片机系统硬件框图如图3所示,由RS232串口电路,液晶显示模块,按键及旋转编码器,串行FLASH组成。系统通过按键和编码器获取用户输入,通过显示模块进行人机交互,RS232串口用于传送SCPI控制指令,实现计算机与系统连接,串行FlASH采用SST25VF芯片,用于掉电时储存运行数据。

图3 STM32单片机系统硬件框图

2.2 变压器抽头选择电路设计

为了提高程控电流源的精度以及减小系统功耗,在交直流变换中通过改变变压器抽头选择与设置电压相近的电压。变压器抽头选择电路,主要由滞回比较器和继电器组成。如图4所示,变压器有34 V、28 V、22 V、16 V以及10 V交流输出,STM32处理器计算相应的电压量程后,通过控制S1、S2、S3、S4继电器开关来选择交流输入电压,本电路默认输入10 V的交流电压。电流源输出电压经R18与R19分压得来,为了稳定输出电压,在电路中加入滞回比较器,并把输出电压接到比较器正相端。

2.3 程控稳流电路设计

程控稳流电路如图5所示,主要有电流检测电路、误差放大电路、误差放大稳压电路组成[5]。电流检测电路主要有电流检测芯片INA286以及检测电阻(R59)组成,当电流通过R59时,R59产生一个电压从而把检测电流转换成电压,通过INA286将此电压进一步放大得到Usence,并其输入到误差放大器。通过OPA2188将Usence与设置电压(DA_Vin)比较后控制控制调整管的导通程度,从而控制电流大小。调整管采用两个达林顿管TIP147并联构成,降低单管电流,提高调整管的使用寿命。

考虑到本电路输出最大电流为5 A,检测电流电阻的精度会影响到系统的精度,若电阻阻值选择过大,在大电流情况下发热严重,导致电阻阻值变化,从而影响系统的精度[6]。采用DALE的高精度低温漂电阻作为电流检测电阻,阻值为0.01 Ω,在最大电流情况下该电阻的功率为0.25 W。

2.4 A/D和D/A电路设计

如图6所示,由于电流源要求设定分辨率为0.1 mA,需要采用13 bit以上的D/A转换芯片作为电流控制功能。本文采用TI公司的DAC8830转换芯片。电路输出5 A时,电流检测输出为5 V。考虑到给予输出电流一定的余量,电流源设计成最大输出为5.5 A。D/A转换器基准电压采用2.5 V,在5.5 A输出时,D/A电路需要输出5.5 V,因此需要在D/A输出端加入一级电压放大器。此时,D/A的控制精度为1LSB=5.5/216=0.084 mA。

电流源的设计指标要求回读分辨率为0.01 mA,需要采用19 bit以上的A/D才能满足设计要求。本文采用24 bit模数转换芯片LTC2400。通过R4和R5的分压使输入电压不会超过2.048 V基准电压。电流回读精度为0.68 μA。

图5 稳流电路

图6 AD和DA电路

3 电流源软件设计

电流源软件设计分为界面显示和控制两部分,主要功能有恒流输出,任意波形电流输出,按上次运行参数输出。同时,设计了基于串口通信的SCPI指令解析器,PC端可通过SCPI指令对电流源进行控制。

3.1 程控界面软件设计

电流源采用5 inch 800×480分辨率TFT显示模块进行界面显示,通过按键和旋转编码器设置运行参数。系统移植了嵌入式uCGUI界面系统,通过函数库调用完成界面设计。界面控制流程图如图7所示,完成界面创建后,系统等待输入信号。当输入信号来到时,系统根据信号类型进入对应的子函数。

图7 界面控制流程图

图8 任意波形电流输出控制流程图

3.2 电流输出控制程序设计

电流输出分为恒流输出和任意波形输出。恒流输出需要设置输出电流值,运行时间。恒流输出开始时,系统获取设置参数,并将设置电流值转换为D/A设置值,启动系统计时器,控制D/A输出并通过A/D读取输出电流[7]。当运行结束信号有效时,输出结束。任意波形输出需要设置每个步序的上升时间,升毕电流值,顶部维持时间。具体控制流程如图8所示,系统获取输入参数后,启动定时器,根据上升时间判断该时间阶段是否处于电流上升阶段,若是,计算上升斜率值,控制D/A输出;否则,系统根据顶部维持时间判断该时间段是否处于电流维持阶段,若是,输出D/A值不变;否则,本步序输出结束。

3.3 SCPI指令解析器设计

SCPI指令是针对串口和GPIB接口的通信命令,由标准ASCⅡ码组成,IEEE488.2中定义SCPI命令位于硬件层之上,可实现对不同仪器的控制功能[8]。PC端可通过SCPI指令实现对电流源的监测和控制。本文设计两类SCPI指令,一类是SCPI公用指令,以字符‘*’开始,如查询设备信息,系统复位等。另一类是电流源专用指令,分别为电流设置命令,电流回读命令,状态查询命令,输出使能/无效命令。一条SCPI指令包括指令题头,分隔符,指令参数。例如CURR:DC 1.0,CURR:AC是本条指令题头,表示电流设置,设置为恒流模式,1.0是指令参数,表示设定恒流输出为1 A。表1列出了本电流源系统用到的专用指令。

表1 电流源专用SCPI指令列表

图9 SCPI指令解析流程

本文采用查表法实现SCPI指令解析。当接收到SCPI指令时,系统首先判断指令的语法是否正确,若语法错误,返回错误代码,若正确,则对指令进行预处理,并在已存的指令表中查找对应的入口函数。软件流程如图9所示。

4 实验验证

4.1 电流源输出精度实验

高精度程控电流源样机如图10所示,为了验证电流源输出精度,将4 Ω电阻负载接入电流源,采用UT61E电流表进行测量,在输出0～5 A测得对应的输出值。表2列出了部分实验数据,从中可得到,本电流源设置精度可达到0.05%+2 mA,回读分辨率可达到0.05%+2 mA,满足设定的指标。

图10 高精度程控电流源样机

单位:mA

4.2 SCPI指令解析测试实验

电流源系统SCPI控制命令定义于串口之上。采用串口调试助手调试系统的SCPI解析器,在输入对话框输入命令:*IDN;CURR:dc;CURR:dc?;OUTP:time 10,0,0;OUTP:time?;OUTP ON。解析器返回结果如图11所示。

图11 SCPI解析器调试结果

5 结束语

采用线性稳流结构,设计了一种高精度程控电流源系统。电流源最大输出功率为100 W,输出电流范围0～5 A,设置精度可达到0.05%+2 mA,回读分辨率可达到0.05%+2 mA。软件上设计了SCPI指令解析器,可通过指令实现控制功能。通过实验证明,该电流源工作稳定,精度高,电流输出范围大,满足工程需要。

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DesignofProgrammableHigh-PrecisionCurrentSourceBasedonSTM32

WENHui1,JIANGYanying2*

(1.National Demonstration Center for Experimental Electronic Circuit Education(Guilin University of Electronic Technology),Guilin Guangxi 541000;2.Institute of Information Techology of GUET,Guilin Guangxi 541000)

In order to solve the weakness of high ripple and low precision on switching current power,a programmable high-precision current source based on STM32 was designed by linear current regulator. In the aspect of hardware,the STM32 microcontroller was used as control unit. The current can be controlled by system through setting the reference volt by DAC8830 16 bit DAC. The chip of INA286 and LTC2400 24 bit ADC was used in current detection. In the aspect of software,the parameter input interface and current interface were designed. The SCPI parser was designed so that the system can be controlled by standard instructions. The results show that it is characterized by low ripple and high accuracy.

linear current regulator;programmable current source;current detection;high-precision;SCPI parser

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.035

2016-09-27修改日期2016-12-11

TP216

A

1005-9490(2017)06-1511-05

文辉(1987-),男,研究生,实验师,主要研究方向为嵌入式、物联网;

蒋艳英(1987-),女,研究生,教师,主要研究方向为嵌入式、物联网。