基于单片机控制的高精密直流电流源的设计
基于单片机控制的高精密直流电流源的设计
高精密电流源能为精密仪器提供精度较高的电流供给，适用于半导体和材料科学研究中各种电阻的自动测量任务。具体应用中，对电流源的精度、可控性要求较高，使用单片机控制的高精密电流源设计，相对于现行的其他设计方法而言，可以较好地满足上述要求，并且具有设计容易、性价比高、开发周期短等特点。本设计使用了atmel公司生产的at89s系列高性价比的52单片机进行设计，体积轻小，实用性强，具有很好的应用前景。
1 系统组成及工作原理
本设计通过at89s52单片机实现对d／a转换芯片dac714和a／d转换芯片tlc2543的控制，来产生直流电压信号，经输出采样电路的电压／电流转换、放大，输出稳定的直流电流。系统中使用d／a输出、a／d采样，与主控单片机形成闭环控制系统。可用键盘进行电流数值设定，用led(发光二极管)进行显示。如图1所示。
690)this.width=690;if(this.height>690)this.height=690;>
2 系统硬件电路设计
2.1键盘及显示电路
预设电流值用4×4矩阵键盘进行输入，用p0口进行扫描，因单片机的i／o口比较充裕，所以采用性价比较高的三-八译码方式对4个独立的7段led进行译码和驱动，74ls138译码器多余引脚用做扩展端预留。具体接法如图2所示。
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2.2闭环系统
以at89s52单片机作为控制核心，用p2.0～p2.3作为dac714的时序控制线，用p2.4～p2.7作为tlc2543的时序控制线。其接口电路如图3所示。
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dac714输出引脚vout根据单片机写入的数据输出直流电压，然后经输出采样电路，使负载获得直流电流，为了让负载获得精确的直流电流，通过tlc2543采样电阻r0上的电压得到采样数据并送入单片机，单片机通过算法更新写入dac714的数据，从而更新输出电流，保证了负载的稳定。输出采样电路如图4所示。
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谨慎选取和焊接采样电路中r0、t1、l几个关键元件是本系统的重点，图中采样电阻r0必须使用高精密大功率电阻，因为r0在电路中有两大作用：一是通过r0将电压转换为电流，如果r0精度过低，将直接引起输出电流偏离预设值；二是tlc2543通过采样r0上的电压值为单片机进行闭环控制提供数据。因本设计最大输出电流为5 a，所以r0的功率应足够大。本系统用的是精度为0.1％、功率为25 w的1 ω精密电阻，因tlc2543采样输入脚和运放op07负输入端的输入电阻均为兆欧级以上，所以tlc2543对r0采样时不会有任何影响。电路中t1也应选取大功率管，本系统采用集电极电流可达25 a、集电极耗散功率为120 w的npn型管2sd2256。电路中l应选取电感量较大和承受电流值较大的电感，以达到良好的滤波效果。
在实际连接此电路时，接地的方法对输出电流将产生很大影响，因为负载rl上的电流等于r0上的电流，而r0上的电流值等于dac714输出电压除以r0的阻值，假设dac714输出电压为1 v，r0的一端到地的电阻为0.1ω，则r0上的电流值为：ir0=1／(1+0.1)=0.91 a，与预设值1 a相差0.09 a。由此可见，若电路接地方法不当将引起很大的误差结果。所以，在本设计中，适合采用单点接地，且各接地线应尽量短和粗。同时，使用散热片对r0和t1进行良好的散热。
3 闭环系统实现恒流控制过程
tlc2543第14脚ref+为模拟输入的正基准电压端，13脚ref-为负基准电压端，这2只引脚的电压差决定了最大输入电压值。本系统将ref+接于+5 v，ref-接于0v，所以vmaxin=vref+-vref-=5 v。dac714被设置为输出0～+10 v。表1为dac714工作于单极0～+10 v输出模式下的数据输入与输出电压对应关系。表2为tlc2543输入电压与输出数据的对应关系。
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由表1可知，当dac714工作在单极0～10 v输出模式时，输出电压分辨率为10／216≈0.153 mv。由于本系统输出电流为0～5 a，所以只使用表1中8000h～ffffh与输出的对应关系。由表2可知，tlc2543的分辨率为5／212≈1.22 mv。
下面以一例详细介绍系统闭环控制原理及过程，如图5所示。
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图中：iuser为用户预设电流值；icrrent为当前实际输出电流值；cuscr为用户预设电流值的初始控制数据；cin为单片机写入：dac714的控制数据字；cout为tlc2543采样数据；cerror为tlc2543采样值与预设值的误差，初始值为0。
由图5中的算法可见，该闭环控制电路能有效地更正因各种原因产生的输出误差，保证了电流源的稳定度和精度。在进行数据测试时发现，当用户键人预设值并按确定后，输出电流在前2 s内不断更新，3 s后输出电流基本稳定不变，仅有第4位稍有跳变，即输出精度为10-3a。可见，由于系统内、外部引起的误差是存在的，但经过闭环系统的控制稳定了输出。
4 单片机软件设计
图6为系统软件设计流程图。
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上电后，单片机首先初始化，显示初始值为0，其次扫描键盘，查看是否有键按下，有键按下则进行按键处理，然后送显示数据到led，接着写入到dac714的控制字，即为led显示值的对应数据，单片机再通过tlc2543采样数据，并对采样值、预设值进行运算和处理，更新显示、输出等有关数据。
5 结束语
本文阐述了利用单片机进行高精密直流电流源的设计过程，所设计的电流源精度为电流值10-3a。验证通过，性能稳定，适用于半导体和材料科学研究中各种电阻的自动测量任务。此外，d／a与a／d配合使用的方法及相关算法适用于其他同类应用，也具有很好的实用性和通用性
系统崩溃的原因
浅谈小间距LED屏视频处理器的几大关键技术
如何突围前沿科技领域“卡脖子”困境？
训练神经网络的数据主要来自大陆测试车队？
MAX485和RS485发热停止工作的解决办法
基于单片机控制的高精密直流电流源的设计
CPLD实现DDS正弦信号发生器设计
优化嵌入式软件时可以遵循几个通用技巧盘点
如何解决Linux进程调度优先级数字混乱的问题？详细实例分析
各国家长对AI技术应用于孩子教育和医疗的接受程度如何？
基于AL101芯片和单片机实现网络交换机的软硬件设计
5G技术激活行业专网建设走上快车道
对包络检波解调电路进行Multisim仿真
Jade Solutions用松下设备协助解决叉车调动问题
为什么电视厂商极少使用DP接口？
全球5G辐射问题再次引起争议有组织称5G是对人类最大的威胁
年出货量35亿颗MCU的瑞萨电子全面拥抱AI
加强监管下的数字货币交易所和以前有什么不一样
商用 LED 灯具的 0-10V 调光演变
AI视觉分析技术在校园监控中的应用
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1 系统组成及工作原理
本设计通过at89s52单片机实现对d／a转换芯片dac714和a／d转换芯片tlc2543的控制，来产生直流电压信号，经输出采样电路的电压／电流转换、放大，输出稳定的直流电流。系统中使用d／a输出、a／d采样，与主控单片机形成闭环控制系统。可用键盘进行电流数值设定，用led(发光二极管)进行显示。如图1所示。
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2 系统硬件电路设计
2.1键盘及显示电路
预设电流值用4×4矩阵键盘进行输入，用p0口进行扫描，因单片机的i／o口比较充裕，所以采用性价比较高的三-八译码方式对4个独立的7段led进行译码和驱动，74ls138译码器多余引脚用做扩展端预留。具体接法如图2所示。
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2.2闭环系统
以at89s52单片机作为控制核心，用p2.0～p2.3作为dac714的时序控制线，用p2.4～p2.7作为tlc2543的时序控制线。其接口电路如图3所示。
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dac714输出引脚vout根据单片机写入的数据输出直流电压，然后经输出采样电路，使负载获得直流电流，为了让负载获得精确的直流电流，通过tlc2543采样电阻r0上的电压得到采样数据并送入单片机，单片机通过算法更新写入dac714的数据，从而更新输出电流，保证了负载的稳定。输出采样电路如图4所示。
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谨慎选取和焊接采样电路中r0、t1、l几个关键元件是本系统的重点，图中采样电阻r0必须使用高精密大功率电阻，因为r0在电路中有两大作用：一是通过r0将电压转换为电流，如果r0精度过低，将直接引起输出电流偏离预设值；二是tlc2543通过采样r0上的电压值为单片机进行闭环控制提供数据。因本设计最大输出电流为5 a，所以r0的功率应足够大。本系统用的是精度为0.1％、功率为25 w的1 ω精密电阻，因tlc2543采样输入脚和运放op07负输入端的输入电阻均为兆欧级以上，所以tlc2543对r0采样时不会有任何影响。电路中t1也应选取大功率管，本系统采用集电极电流可达25 a、集电极耗散功率为120 w的npn型管2sd2256。电路中l应选取电感量较大和承受电流值较大的电感，以达到良好的滤波效果。
在实际连接此电路时，接地的方法对输出电流将产生很大影响，因为负载rl上的电流等于r0上的电流，而r0上的电流值等于dac714输出电压除以r0的阻值，假设dac714输出电压为1 v，r0的一端到地的电阻为0.1ω，则r0上的电流值为：ir0=1／(1+0.1)=0.91 a，与预设值1 a相差0.09 a。由此可见，若电路接地方法不当将引起很大的误差结果。所以，在本设计中，适合采用单点接地，且各接地线应尽量短和粗。同时，使用散热片对r0和t1进行良好的散热。
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由表1可知，当dac714工作在单极0～10 v输出模式时，输出电压分辨率为10／216≈0.153 mv。由于本系统输出电流为0～5 a，所以只使用表1中8000h～ffffh与输出的对应关系。由表2可知，tlc2543的分辨率为5／212≈1.22 mv。
下面以一例详细介绍系统闭环控制原理及过程，如图5所示。
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图中：iuser为用户预设电流值；icrrent为当前实际输出电流值；cuscr为用户预设电流值的初始控制数据；cin为单片机写入：dac714的控制数据字；cout为tlc2543采样数据；cerror为tlc2543采样值与预设值的误差，初始值为0。
由图5中的算法可见，该闭环控制电路能有效地更正因各种原因产生的输出误差，保证了电流源的稳定度和精度。在进行数据测试时发现，当用户键人预设值并按确定后，输出电流在前2 s内不断更新，3 s后输出电流基本稳定不变，仅有第4位稍有跳变，即输出精度为10-3a。可见，由于系统内、外部引起的误差是存在的，但经过闭环系统的控制稳定了输出。
4 单片机软件设计
图6为系统软件设计流程图。
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上电后，单片机首先初始化，显示初始值为0，其次扫描键盘，查看是否有键按下，有键按下则进行按键处理，然后送显示数据到led，接着写入到dac714的控制字，即为led显示值的对应数据，单片机再通过tlc2543采样数据，并对采样值、预设值进行运算和处理，更新显示、输出等有关数据。
5 结束语
本文阐述了利用单片机进行高精密直流电流源的设计过程，所设计的电流源精度为电流值10-3a。验证通过，性能稳定，适用于半导体和材料科学研究中各种电阻的自动测量任务。此外，d／a与a／d配合使用的方法及相关算法适用于其他同类应用，也具有很好的实用性和通用性
系统崩溃的原因
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训练神经网络的数据主要来自大陆测试车队？
MAX485和RS485发热停止工作的解决办法
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CPLD实现DDS正弦信号发生器设计
优化嵌入式软件时可以遵循几个通用技巧盘点
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