【正文】 設(shè)定值，實際值以及其他相關(guān)信息。 I 數(shù)字式恒流電源的研究 摘 要 本設(shè)計以 AVR 單片機為核心，通過 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換、 DC/DC 變換及 PID 算法利用 PWM 技術(shù)實現(xiàn)了高精度的，電流輸出范圍為 20mA～ 2020mA 的數(shù)控直流電流源。我們自行設(shè)計了 ? 15V、 +12V 和 5V電源 為系統(tǒng)供電。 恒流源的分類 按照調(diào)整方式不同，恒流源可分為直接調(diào)整型恒流源和間接調(diào)整型恒流源；其中，間接調(diào)整型恒流源根據(jù)調(diào)整元件的工作狀態(tài)不同，又可分為連續(xù)調(diào)整型恒流源、開關(guān)調(diào)整型恒流源和組合調(diào)整型恒流源；按照輸出電流的性質(zhì)不同，可分為直流恒流源和交流恒流源 ?，F(xiàn)以 2 白光 LED 比較常見的 規(guī)格為例，按照 LED 的電流、電壓變化規(guī)律 進(jìn)行說明 ，一般應(yīng)用正向電壓為 ，典型值電壓 為 ，電流為 20mA，當(dāng)加于 LED 兩端的正向電壓超過 ，正向電壓很小的增加， LED 的正向電流都有可能會成倍增漲，使 LED 發(fā)光體溫升過快，從而加速 LED 光 強減弱 ，使 LED 的壽命縮短，嚴(yán)重時燒壞 LED。其次是穩(wěn)定電壓的能力極差，無法保證通過 LED 電流不超過其正常工作要求，設(shè)計產(chǎn)品時都會采用降低 LED 兩端電壓來供電驅(qū)動，這樣 會使 LED 亮度降低。 與上述幾種方法 相比 ， 最為 理想的 驅(qū)動 LED 的 方式 應(yīng)為 采用恒流源方式，它能避免 LED 正向電壓的改變而引起電流變動， 與此 同時 ， 恒定的電流 可以保持LED 的亮度穩(wěn)定。 在一些精密測量領(lǐng)域中，如電流電壓法測電阻值、電橋供電中，恒流源同樣充當(dāng)非常重要的角色 。在使用時為防止電流沖擊，一般的解決辦法是通過調(diào)壓器或限流電阻逐步加大電流是電流逐漸達(dá)到額定值，這種方法既不安全，又不方便。其公式 : EH = KH I B , 式中 : EH 為霍爾電勢 (mV) 。 T) 。 圖 方形孔壓力傳感器 4．現(xiàn)代大型儀器中穩(wěn)定磁場的產(chǎn)生 在許多 現(xiàn)代醫(yī)療診斷儀器中，常常用到恒流源。因此，凡是對磁場的穩(wěn)定程度要求十分嚴(yán)格的裝置必須采用恒流源供電。電真空器件恒流源主要由鎮(zhèn)流管構(gòu)成，鎮(zhèn)流管具有穩(wěn)定電流的功能，多用于交流電路，因此常被用來穩(wěn)定電子管的燈絲電流，使用方法為將鎮(zhèn)流管和負(fù)載串聯(lián)，即可構(gòu)成直接調(diào)整型恒流源?？傮w現(xiàn)狀為電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；與此同時，在國家自然科學(xué)基金的資助下或創(chuàng)新意識不斷增強的情況下，我國電力電子技術(shù)的研究從消化吸收為基點，已經(jīng)發(fā)展為可以跟蹤世界專業(yè)前沿并做一些基礎(chǔ)創(chuàng)新。目前國內(nèi)在這兩方面研究比較多的包括廣州的華南理工大學(xué)和成都電子科技大學(xué)，主要是采用可編程系統(tǒng)器件 (PSD)或單片機來控制開關(guān)直流電源或數(shù)字化電壓單元達(dá)到數(shù)控的目的，但和國外的同行業(yè)相比較，還 有很大的差距。恒流源涉及的范圍也由傳統(tǒng)的穩(wěn)定電磁場、校正電流表等，擴展至激光、超導(dǎo)、通信等領(lǐng)域，展示了廣闊的應(yīng)用前景。目前，制作功耗較大、穩(wěn)定 性低、抗干擾能力弱的模擬恒流源的技術(shù)已經(jīng)成熟，而高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、多級可調(diào)的數(shù)控恒流源的研制尚處于發(fā)展過程階段。其中，長期以來人們更多的致力于對穩(wěn)壓源的研究，相比而言，人們對恒流源的研究、設(shè)計以及相關(guān)資料的查閱都相對有限。 2. 設(shè)計基于 ATmega 16 單片機的采樣反饋控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對恒流源的智能化管理及檢測，數(shù)控單元不但能方便的實現(xiàn)恒流值的設(shè)置，而且能夠?qū)崿F(xiàn)恒流值動態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步進(jìn)值可以自由選擇，最小步距 50mA； 3. 完善的保護(hù)功能， 包括 過流保護(hù)，過熱保護(hù)， 可以吸收 負(fù)載向電 源釋放高壓浪涌， 具有較強的抗干擾能力和穩(wěn)定性，可以 在 20℃ ～ 40℃ 環(huán)境 下的工業(yè)現(xiàn)場長期工作 ； 4. 友好的人機交互界面。而在恒流源的特性圖 中，即使理想的恒流源是內(nèi)阻為無窮大、輸出電流始終保持在規(guī)定值 ，且與端電壓的大小和極性無關(guān)的電流源。 圖 （左為理想電流源，右圖為實際電流源） 1O L OO S S S OOOLLR R RV I I I RRRRR? ? ?? ? 而在電路中： ( 0RRL ?? 電源外特性曲線呈陡降式接近恒流源 。在非隔離式變換器中。 降壓型（ Buck）變換器 降壓型（ Buck）變換器將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng)LC 濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓。 圖 降壓型（ Buck）變換器原理圖 圖 （ a） VT1導(dǎo)通等效電路圖 11 圖 (b) VT1關(guān)斷等效電路圖 圖 （ c） VT1關(guān)斷后電流為零等效電路圖 升壓型（ Boost）變換器 升壓型變換器電路如下圖 所示。 Boost 三種工作狀態(tài)等效電路 圖 （ a） VT1導(dǎo)通等效電路 圖 （ b） VT1 截止等效電路 圖 （ c） VT1 關(guān)斷電感電流為零 極性反轉(zhuǎn)升降壓（ Buck— Boost）變換器 13 極性反轉(zhuǎn)型 (Buck— Boost)變換器主電路所用元器件與 Buck、 Boost 變換器相同，由開關(guān)管 VT儲能電感 L整流二極管 VD1 及濾波 電容 C1 等元器件組成。 圖 Cuk變換器原理圖 工作原理三等效電路圖 : 圖 （ a） VT1 導(dǎo)通等效電路圖 圖 (b) VT1 截止等效電路圖 15 圖 （ c） 電流斷續(xù)等效電路圖 PWM 的工作原理 PWM（ Pulse Width Modulation）控制 —— 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。從波形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。 16 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波 N 等分，看成 N個相連的脈 沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。例 如，一個 PWM 的頻率是 1000Hz，那么它的時鐘周期就是 1ms，就是 1000us，如果高電平出現(xiàn)的時間是 200us，那么低電平的時間肯定是 800us，那么占空比就是 200： 1000，也就是說占空比就是 1： 5。 圖 基本模擬反饋控制回路 被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反饋 ( Negative Feedback)，本系統(tǒng)即采用了閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。 PID 控制，實際中也有 PI和 PD 控制。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) TI， TI 越大，積分作用越弱，反之則越強。 AVR 微控制器是數(shù)字直流穩(wěn)壓電源的核心。此外，如果上位 PC 機有請求，能通過串口接口電路與 PC 機進(jìn)行通信。 AVR 控制器電路 AVR 單片機是 Atmel 公司推出的一款基于 RISC 指令架構(gòu)的高性能、低功耗的 8位單片機。 AVR 單片機采用哈佛 (Harvard)總線結(jié)構(gòu)，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的。 25 AGND31X113X212RESET9PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PB0 (T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0)3PB3 (AIN1)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8(ADC0) PA040(ADC1) PA139(ADC2) PA238(ADC3) PA337(ADC4) PA436(ADC5) PA535(ADC6) PA634(ADC7) PA733PC022PC123PC224PC325PC426PC527(TOSC1) PC628(TOSC2) PC729PD7 (TOSC2)21PD6 (ICP)20AVCC30AREF32PD1 (TXD)15PD0 (RXD)14GND11VCC10ATMEGA16_DIP40+5V 圖 ATmega 16引腳圖（ PDIP） 可調(diào)電流源主電路 該恒流源主電路是由兩個集成運算放大器構(gòu)成的電 流放大電路、負(fù)載電阻和采樣電阻等構(gòu)成。為了保證采樣電阻盡可能不受輸出電壓變化的影響，單獨采用 /10W采樣電阻進(jìn)行電壓反饋。電壓疊加電路在起始點調(diào)整電路的基礎(chǔ)上添加 PID 算法的調(diào)整量。由 于在實際電路中器件存在溫度漂移、內(nèi)電阻等誤差，所以實際輸出步長不能達(dá)到 。自帶 16位數(shù)據(jù)輸入 /輸出移位寄存器，并且每一個 D/A 通道均集成一個輸入寄存器和 DAC 寄存器。SCLK 為串行時鐘線接口 , 為片選信號輸入口，低電平有效，為復(fù)位信號輸入線，低電平有效。 反饋電路 由于采樣電阻為 ，故反饋輸入電壓為 ～ 。 29 10K63K1000pFADC2K/2WLM324J 圖 D/A反饋原理圖 人機交互接口 人機交互接口可以分為輸入和輸出兩部分，其中輸入部分主要為鍵盤輸入模塊，輸出部分為 LCD 液晶顯示模塊。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的 。 LCD 液晶顯示模塊 DB411DB512DB613DB714PSB15NC16DB07DB18LEDK19LEDA20VSS1VDD2V03RS4R/W5E6/RST17VEE18DB29DB31012864*12864+5VLCD_ENLCD_R/W+5VLCD_RS 圖 LCD顯示電路原理圖 31 本系統(tǒng)采用 LCM12864 圖形點陣式液晶顯示模塊作為主站的顯示界面。 本系統(tǒng)采用 LCM12864 圖形點陣式液晶顯示模塊作為顯示模塊， LCM12864 中文液晶顯示模塊的液晶屏幕為 128*64，可顯示四行，每行可顯示 8 個漢字。減少了對 I/O端口的占用。在接收到起始位元組后，每個指令 /數(shù)據(jù)將分為二組接收到：較高 4 位元（ DB7～ DB4）的指令資料將會被放在第一組的 LSB 部分，而較低 4 位元（ DB3～ DB0）的指令資料則會被放在第二組的 LSB 部分，至于相關(guān)的另四位則都為 0。模塊的同步時鐘線（ SCLK）具有獨立的操作，但 是當(dāng)有連續(xù)多個指令需要被傳輸，必須確實等到一個指令完全執(zhí)行完成才能傳送下一筆資料，因為模塊內(nèi)部并沒有傳送 /接收緩沖區(qū)。 電源供電電路 因為恒流源主回路需要一個大電流，為了保證該回路可以得到足夠的電流，并且當(dāng)主回路電流急劇增大時，不至于影響其他器件正常工作，采用多電源供電的方式。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為 TTL 電平，從開始數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇Y(jié)束，線上電平從 TTL 電平到 RS232 電平再返回 TTL 電平。在發(fā)送端用驅(qū)動器將 TTL 電平轉(zhuǎn)換成 RS232 電平，在接收端用接收器將 RS232 電平再轉(zhuǎn)換成 TTL 電平。進(jìn)行串行通訊時要滿足一定的條件，計算機的串口是 RS232 電平的，而單片機的串口是 TTL 電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，采用專用芯片MAX232 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。則有 ? ?0 .2 1 0 0 .2 2OI I A? ? ? ? ? ? 電感 L值為： ? ? ? ? ? ?2 m i n m a xm a x 3 8 . 6 1 5 . 5 0 . 5 2 . 1 1 1 . 8 62f onU U U oL t HI ??? ??? ? ? ? ?? 36 由此可見，需要 ， 10A的扼流圈。所以可以選擇20V， 8200 H? ，則 SER 為 31 ?m ,容許脈動電流為 . 流向電容器的紋波電流為 ? ?2