??? 摘 要： 在線性負反饋恒流源" title="恒流源">恒流源基礎上，設計了一種新的數控高精度恒流源。該恒流源使用新型微處理器對電流源負載電流" title="負載電流">負載電流進行采樣，使用PID算法在數字域對采樣數據進行處理，將處理結果轉換為模擬信號，反饋到恒流源調整器" title="調整器">調整器，實現快速數字閉環反饋控制。測試結果表明，在輸出電流10mA～2010mA范圍內，電流紋波≤0.06mA，輸出電流與設定電流相對誤差≤1％，電流調節最小步進值為1mA。
??? 關鍵詞： 恒流源? 微處理器? PID算法? A/D" title="A/D">A/D轉換器? D/A" title="D/A">D/A轉換器? 運算放大器
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??? 恒流電源是為電流型負載提供穩定電流的重要儀器。常見的恒流源電路方案有：脈沖調寬式、線性負反饋方式[1-2]等。脈沖調寬式（開關式）恒流源通過改變調整器的工作脈沖寬度達到恒流的目的。目前廣泛應用于空間技術、計算機、通訊、家電等領域中。這種恒流源調整器工作在開關狀態、功率損耗小、效率高達70%～95%，但紋波電流大，輻射干擾強、恒流精度低。線性負反饋式恒流源通過改變調整器的工作電壓，使其輸出電流保持恒定，具有失真小、穩定度高、紋波小等特點，但功率損耗大、效率較低，主要應用于高精度場合。
?? PID控制是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量，對系統進行控制的一種方法[3]。PID控制問世至今已有近70年歷史，它以結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。比例控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出信號與輸入誤差信號成比例關系；積分控制是輸出信號與輸入誤差信號的積分成正比關系；微分控制的輸出信號與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。在本系統中，使用比例積分（PD）控制。
??? 本文在線性負反饋式恒流源基礎上，利用新型微處理器AT89S52[4]對實時負載電流進行采樣，然后根據用戶設定的電流值使用工業控制上成熟的PID算法進行處理，最后根據算法結果對恒流源進行反饋控制，從而大大提高了系統的恒流精度和穩定度。同時，利用微處理器資源，還提供了鍵盤控制和電流數值顯示等功能。
1 系統硬件結構
??? 整機系統結構如圖1所示，由供電電源、數控部分、恒流源三大部分構成。供電電源為整個系統提供需要的穩定電源；恒流源是系統的核心部分，它本身是一個獨立的線性負反饋恒流源，它的性能好壞直接影響系統的精度；數控部分是附加在恒流源上的一個獨立系統，它在數字域控制恒流源，并響應用戶的設定，顯示電流數值。
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1．1 恒流源部分
??? 恒流源部分本身是一個獨立的線性負反饋恒流源，如圖2所示。U1（LM350A）為調整器，是恒流源的核心部件。負載電流經采樣電阻R5，產生微弱的采樣電壓，經過超低噪聲運算放大器U2同相放大。放大的電壓信號送往由U3組成的差分放大器的負端(同時送往數控部分進行A/D轉換)。差分放大器把負端采樣電壓與正端的數控部分設定電壓的差值進行放大，輸出到調整器的調整端，形成閉環反饋。若有某種情況使負載電流增加，則采樣電阻上的電壓增加，使同相放大器U2輸出電壓變大，差分放大器輸出電壓減小，調整器調整端電壓減小，調整器輸出電壓變低，使負載電流減小，從而維持了負載電流的動態穩定，反之亦然。可以看出，差分放大器的正端決定了負載電流的大小。若U3正端電壓升高，則調整器調整端電壓升高，調整器輸出電壓升高，負載電流增加，同相放大器輸出增加，差分放大器負端電壓升高，直到U3正負端電壓相等，系統再次動態穩定。
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??? 采樣電阻串聯在負載回路內，并由此檢測負載電流變化。因此，采樣電阻的穩定性將直接影響到恒流源的性能，且采樣電阻還應有足夠大的功率，否則也會影響恒流源的性能甚至燒壞。綜合以上各因素，在實際電路中選用大功率錳銅材料制成的精密電阻，其溫度系數達到(-3～＋20）10-6/℃。
??? 采樣放大器U2選用超低噪聲運放AD797。因為它處于閉環反饋的第一級，所以要盡量減小噪聲的影響。
差分放大器U3選用高精度運放OP07,提供高精度的比較結果。
????過熱、過流、過壓保護功能由三端穩壓芯片LM350內部提供。
??? 為了使電路在未加負載時仍處于線性工作狀態，還要有一定預負載。預負載電流一般取：
??? IR0=IOMax/(20-50)
??? 預負載電阻R4取220Ω，功率為2W。
??? D4是為了防止引線較長使線路中出現反向感應電壓而損壞電路。加上D4可使反向感應電壓經過D4構成閉合回路，從而保護電路。
1．2 數控部分
??? 數控部分主要由微處理器模塊、A/D模塊、D/A模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、復位模塊等組成。微處理器是整個數控部分的處理控制中心；A/D模塊完成模擬信號到數字信號的轉換；D/A模塊完成數字信號到模擬信號的轉換；鍵盤模塊給用戶提供控制接口；顯示模塊根據需要顯示相應的電流值；復位模塊為整個數控部分提供可靠的復位信號。
??? 數控部分主要完成以下幾個任務：(1)響應用戶的按鍵操作，保存用戶設定的電流值。(2)控制A/D模塊按照一定的周期將采樣信號（圖2中U2的輸出）數字化。(3)在微處理器內部按照PID算法根據用戶設定值對采樣數據進行處理。(4)將處理結果通過D/A模塊轉換為模擬信號，輸出到恒流源差分比較器的正端，完成數控部分對恒流源部分的控制。(5)按照用戶的需要顯示相應的電流值。
??? 微處理器選用ATMEL公司的AT89S52單片機。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS工藝的8位單片機，與標準MCS-51的引腳和指令完全兼容。
??? 為了滿足取樣精度及轉換精度，選取12位的A/D芯片AD574和12位的D/A芯片DAC1230。在輸出2000mA情況下，控制精度可達2000mA/212≈0.5mA。
??? 顯示模塊選用MAX7219，串行接口，可以直接驅動8位數碼管。
??? 鍵盤模塊直接使用微處理器的通用I/O口。
??? 復位模塊選用MAX813，具有上電復位功能、低壓復位功能以及內部集成看門狗和比較器。
1．3 供電電源
??? 電源部分使用單輸入三輸出變壓器，將市電（220V/50Hz）轉換為兩路17V和一路9V的交流電源。分別使用通用的三端穩壓芯片LM350A、LM337、LM7805將三路交流電源整流為系統所需的三種直流電源：+15V(3A)、-15V(1.5A)、+5V(1A)。其中+15V電源為恒流源、A/D轉換器、D/A轉換器、運算放大器提供正電源；-15V電源為A/D轉換器、D/A轉換器提供負電源；+5V電源為數控部分提供工作電源。三種電源都設計了必要的保護電路、指示燈及預負載電路，以保證其正常、穩定地工作。
2 軟件設計
??? 程序分主程序和中斷程序兩大塊。主程序處理用戶的按鍵和顯示，中斷程序處理A/D轉換、PID算法、D/A轉換等任務。
主程序中，首先初始化寄存器和外圍芯片，設置相應的變量。然后反復地調用鍵盤掃描模塊和顯示模塊。
??? 中斷程序包括定時器中斷和外部中斷。利用微處理器的定時器資源，設置130ms的定時器。在定時器中斷程序中，啟動A/D轉換模塊，然后退出中斷程序。
??? 當A/D轉換完成時，觸發微處理器的外部中斷。在外部中斷程序中，讀取最新的采樣數據，調用PID算法，根據用戶設定值進行處理，接著調用D/A模塊，將處理結果轉換為模擬信號并輸出，最后退出中斷程序。外部中斷流程圖如圖3所示。
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??? 這樣設計的好處是，可以保證固定的采樣周期，使整個系統運行穩定。將不需要及時作出響應的鍵盤及顯示放在主程序中，有利于節省微處理器的資源。
3 性能測試
??? 恒流源使用時，先加上負載，預熱30分鐘，使系統內部溫度達到平衡狀態，然后開始測量。在設定不同的電流值后，利用5位半數字萬用表測量實際的電流值并和數控部分顯示的電流值進行比較，利用示波器檢測電流的波動，并給出紋波和絕對誤差，如表1所示。
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??? 在改變輸入電源電壓的情況下，測量電流值如表2所示。
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??? 在改變負載的情況下，測量電流值，如表3所示。
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??? 在傳統的線性負反饋恒流源的基礎上，增加微處理器控制，通過測量負載電流，與設定值比較，使用PID算法，根據算法結果調整電流值，大大提高了恒流源的性能。利用此原理，用戶按照自己的需要，增加相應的功能，很容易做出各種實用的高精度電流源。
參考文獻
[1]?曲學基，王增福，曲敬鎧．穩定電源基本原理與工藝設計． 北京：電子工業出版社，2004．
[2]?何希才，姜余祥．新型穩壓電源及其應用．北京：國防工業出版社，2002．
[3]?陶永華，尹怡欣，葛蘆生．新型PID控制及其應用：第2版．北京：機械工業出版社，2003．
[4]?李玉峰，倪虹霞．MCS-51系列單片機原理與接口技術．北京：人民郵電出版社，2004．