【正文】 設(shè)定值，實(shí)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(jì)以 AVR 單片機(jī)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(shí)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(jì)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 。現(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(huì)成倍增漲，使 LED 發(fā)光體溫升過快，從而加速 LED 光 強(qiáng)減弱 ，使 LED 的壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)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(jì)產(chǎn)品時(shí)都會(huì)采用降低 LED 兩端電壓來供電驅(qū)動(dòng)，這樣 會(huì)使 LED 亮度降低。 與上述幾種方法 相比 ， 最為 理想的 驅(qū)動(dòng) 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(dòng)， 與此 同時(shí) ， 恒定的電流 可以保持LED 的亮度穩(wěn)定。 在一些精密測(cè)量領(lǐng)域中，如電流電壓法測(cè)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(shí)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(shì) (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(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)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(shí)，在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下或創(chuàng)新意識(shí)不斷增強(qiáng)的情況下，我國(guó)電力電子技術(shù)的研究從消化吸收為基點(diǎn)，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(guó)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(jī)來控制開關(guān)直流電源或數(shù)字化電壓?jiǎn)卧_(dá)到數(shù)控的目的，但和國(guó)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(chǎng)、校正電流表等，擴(kuò)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(qiáng)、多級(jí)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(zhǎng)期以來人們更多的致力于對(duì)穩(wěn)壓源的研究，相比而言，人們對(duì)恒流源的研究、設(shè)計(jì)以及相關(guān)資料的查閱都相對(duì)有限。 2. 設(shè)計(jì)基于 ATmega 16 單片機(jī)的采樣反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的智能化管理及檢測(cè)，數(shù)控單元不但能方便的實(shí)現(xiàn)恒流值的設(shè)置，而且能夠?qū)崿F(xiàn)恒流值動(dòng)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(qiáng)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(chǎng)長(zhǎng)期工作 ； 4. 友好的人機(jī)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(shí)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(chǔ)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(duì)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(gè)正弦半波，正弦半波 N 等分，看成 N個(gè)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(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。例 如，一個(gè) PWM 的頻率是 1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是 1ms，就是 1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是 200us，那么低電平的時(shí)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(cè)，這個(gè)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(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)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(shí)際中也有 PI和 PD 控制。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)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(dòng)態(tài)特性。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) TI， TI 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 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(jī)有請(qǐng)求，能通過串口接口電路與 PC 機(jī)進(jìn)行通信。 AVR 控制器電路 AVR 單片機(jī)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(jī)。 AVR 單片機(jī)采用哈佛 (Harvard)總線結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)集成運(yùn)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(dú)采用 /10W采樣電阻進(jìn)行電壓反饋。電壓疊加電路在起始點(diǎn)調(diào)整電路的基礎(chǔ)上添加 PID 算法的調(diào)整量。由 于在實(shí)際電路中器件存在溫度漂移、內(nèi)電阻等誤差，所以實(shí)際輸出步長(zhǎng)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(gè) D/A 通道均集成一個(gè)輸入寄存器和 DAC 寄存器。SCLK 為串行時(shí)鐘線接口 , 為片選信號(hào)輸入口，低電平有效，為復(fù)位信號(hào)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(jī)交互接口 人機(jī)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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(gè)漢字。減少了對(duì) I/O端口的占用。在接收到起始位元組后，每個(gè)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(huì)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(huì)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(shí)鐘線（ SCLK）具有獨(dú)立的操作，但 是當(dāng)有連續(xù)多個(gè)指令需要被傳輸，必須確實(shí)等到一個(gè)指令完全執(zhí)行完成才能傳送下一筆資料，因?yàn)槟K內(nèi)部并沒有傳送 /接收緩沖區(qū)。 電源供電電路 因?yàn)楹懔髟粗骰芈沸枰粋€(gè)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(shí)，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(shí)，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(dòng)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(shí)要滿足一定的條件，計(jì)算機(jī)的串口是 RS232 電平的，而單片機(jī)的串口是 TTL 電平的，兩者之間必須有一個(gè)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(gè)三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡(jiǎn)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(dòng)電流為 . 流向電容器的紋波電流為 ? ?2