论文部分内容阅读
摘 要 为满足军用实验室对恒流源的特殊要求，以单片机MSC1210为控制核心，高精度低温漂双通道数字电阻器MXA5494为调控平台设计了精密数字恒流电源，通过负载电流经A/D转换反馈回单片机的外部闭环误差调整和由运算放大器等构成深度负反馈的内部闭环稳定系统的设计，实现了高精度高稳定的恒流输出目标。
关键词 MSC1210；MAX5494；A/D转换；精密恒流源；双闭环控制回路
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）01-0009-01
直流恒流源是电学仪表计量检定、精密测量、科学研究等领域普遍使用的设备，传统恒流源稳流参数窄、精度和稳定性不高，难以满足现代精准控制要求。本文以单片机为核心，采用负载电流经24位A/D转换后反馈回单片机，经分析处理与预设值比较，改变数字电阻器比值，调整基准电压输出，调控负载电流，形成外部闭环的误差调整，消除电路设计中的静态误差，达到输出电流精度、稳定性高和可调整范围宽的目的。
1 系统硬件设计
1.1 主要器件
MSC1210是新型多功能微处理器（简称MCU），集成了具有输入缓冲、数字滤波、增益自动校正功能的可编程放大器，放大倍数在1～128，温漂小于1.255PPM/℃；8通道24位低噪声高精度A/D转换器；片内参考电压精度为0.2%、温漂小于5 PPM/℃，1.25 V或2.5 V可选；内核与8051系统兼容，但速度快三倍速，RAM 1280字节，闪存32K；增加了16位的PWM输出和可编程看门狗定时器等特别实用的电路。
MAX5494是双路10 kΩ、10位（1024抽头）、非易失、线性变化数字电位器，温度系数小于35PPM/℃ 。MAX5494数字电位器设SPI串行外设接口，通过SPI对其内部进行控制。
1.2 电路系统设计
电源切换模块的设计思想是解决输出较大电流时，选择合适的输入电压，降低在功率输出场效应管上的功耗。电源输入有～9 V、～16 V、～21 V、～26 V四档，由继电器控制，主控器MCU按设定自动选择。
微处理器MSC1210是系统的控制核心，内部集成有高精度的2.5 V电压基准，由脚输出。内部集成SPI控制器，直接与MAX494相连。
MAX5494是10 kΩ、10位双路数字电位器。当使用其中一路电位器基准电压为2.5 V时，W1端输出最小分辨率为u=2.5/1024=2.44 mV，如果将二路电位器串接起来：即W2端连接到H1端，则相当于11位20 kΩ电位器，u=2.5/2048=1.22 mV。电路设计参考图1。
IC1A、NMOS1、R6构成第一级具有深度负反馈的电压电流转换电路。VMOS三极管为电压控制器件，源极、漏极与栅极绝缘的，在本电路中流经NMOS1漏极与流经源极的电流Ι完全相等，不同于普通三极管，基极电流影响测控精度。当IC1A同相输入端电压经MCU指令MAX5494的W1输出Vw1后，NMOS1源极电压维持与Vw1相等，当漏极电流增加时，则源极电压增加，反馈到IC1A的反相输入端，使输出端电压降低，从而控制NMOS1流经漏源极电流减少，维持源极电压与Vw1相等。只要基准电压稳定并选择好R9、R6、R3，就能使输出电流稳定。
由R7、R10分压和R8、C2构成输出电流取样电路，R11为取样电阻，5 mΩ，和R12、C4构成电流采样电路。
系统上电后，MCU根据按键设定值或上次储存信息，解调出恒流电流数据，通过液晶屏显示，等待允许输出指令。MAX5494存储的初始数据输出为零。此时电流无输出，在接到MCU指令后，调整到相应电阻分压数值后，由W1端输出。输出稳定后，MCU启动电压A/D转换通道和输出电流A/D转换通，监视输出情况，并适当调整电源转换模块和MAX5494的分压值。电流通道放大倍数16，经24位A/D转换，精度优于电流输出。本系统采用R6=R3=33 Ω、R9=1.2 Ω，精度0.1%。最大输出恒定电流2.048 A，分辨率1 mA。
2 软件设计
维持稳定高精度电流输出，依赖于器件质量，更依赖于软件对数据的处理与对其它关键器件的调控。软件采用KILE C51编写，模块化结构。主要有LCD显示、按键扫描、A/D转换、MAX5494驱动和数据处理等。
3 结束语
好的器件要与合理的设计、适宜的软件相结合，才能体现整体优势。本系统采用了性能优异的微处理器MSC1201和高精度的数字电位器MAX5494，应用了由MCU的A/D转换器构成反馈的数字闭环控制和由运算放大器等构成深度反馈的模拟闭环控制的双闭环反馈控制回路系统，模拟反馈使电源系统快速反应、数字反馈则维持电流输出高精度和高稳定性。
参考文献
[1]徐龙红，杜军，张红印.线阵图像传感器TCD1208AP在桑蚕选种中的应用[J].电子设计工程，2011，19（6）：125-127.
[2]Maxim Integrated Inc.10-Bit Dual Nonvolatile Linear-Taper Digital Potentiometers[EB/0L].Printed USA.www.maxim-ic.com/packages.
作者简介
杜军（1961-），男，山东潍坊人，高级工程师，大学，从事计量管理与技术支持，研究方向：电子测量。
关键词 MSC1210；MAX5494；A/D转换；精密恒流源；双闭环控制回路
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）01-0009-01
直流恒流源是电学仪表计量检定、精密测量、科学研究等领域普遍使用的设备，传统恒流源稳流参数窄、精度和稳定性不高，难以满足现代精准控制要求。本文以单片机为核心，采用负载电流经24位A/D转换后反馈回单片机，经分析处理与预设值比较，改变数字电阻器比值，调整基准电压输出，调控负载电流，形成外部闭环的误差调整，消除电路设计中的静态误差，达到输出电流精度、稳定性高和可调整范围宽的目的。
1 系统硬件设计
1.1 主要器件
MSC1210是新型多功能微处理器（简称MCU），集成了具有输入缓冲、数字滤波、增益自动校正功能的可编程放大器，放大倍数在1～128，温漂小于1.255PPM/℃；8通道24位低噪声高精度A/D转换器；片内参考电压精度为0.2%、温漂小于5 PPM/℃，1.25 V或2.5 V可选；内核与8051系统兼容，但速度快三倍速，RAM 1280字节，闪存32K；增加了16位的PWM输出和可编程看门狗定时器等特别实用的电路。
MAX5494是双路10 kΩ、10位（1024抽头）、非易失、线性变化数字电位器，温度系数小于35PPM/℃ 。MAX5494数字电位器设SPI串行外设接口，通过SPI对其内部进行控制。
1.2 电路系统设计
电源切换模块的设计思想是解决输出较大电流时，选择合适的输入电压，降低在功率输出场效应管上的功耗。电源输入有～9 V、～16 V、～21 V、～26 V四档，由继电器控制，主控器MCU按设定自动选择。
微处理器MSC1210是系统的控制核心，内部集成有高精度的2.5 V电压基准，由脚输出。内部集成SPI控制器，直接与MAX494相连。
MAX5494是10 kΩ、10位双路数字电位器。当使用其中一路电位器基准电压为2.5 V时，W1端输出最小分辨率为u=2.5/1024=2.44 mV，如果将二路电位器串接起来：即W2端连接到H1端，则相当于11位20 kΩ电位器，u=2.5/2048=1.22 mV。电路设计参考图1。
IC1A、NMOS1、R6构成第一级具有深度负反馈的电压电流转换电路。VMOS三极管为电压控制器件，源极、漏极与栅极绝缘的，在本电路中流经NMOS1漏极与流经源极的电流Ι完全相等，不同于普通三极管，基极电流影响测控精度。当IC1A同相输入端电压经MCU指令MAX5494的W1输出Vw1后，NMOS1源极电压维持与Vw1相等，当漏极电流增加时，则源极电压增加，反馈到IC1A的反相输入端，使输出端电压降低，从而控制NMOS1流经漏源极电流减少，维持源极电压与Vw1相等。只要基准电压稳定并选择好R9、R6、R3，就能使输出电流稳定。
由R7、R10分压和R8、C2构成输出电流取样电路，R11为取样电阻，5 mΩ，和R12、C4构成电流采样电路。
系统上电后，MCU根据按键设定值或上次储存信息，解调出恒流电流数据，通过液晶屏显示，等待允许输出指令。MAX5494存储的初始数据输出为零。此时电流无输出，在接到MCU指令后，调整到相应电阻分压数值后，由W1端输出。输出稳定后，MCU启动电压A/D转换通道和输出电流A/D转换通，监视输出情况，并适当调整电源转换模块和MAX5494的分压值。电流通道放大倍数16，经24位A/D转换，精度优于电流输出。本系统采用R6=R3=33 Ω、R9=1.2 Ω，精度0.1%。最大输出恒定电流2.048 A，分辨率1 mA。
2 软件设计
维持稳定高精度电流输出，依赖于器件质量，更依赖于软件对数据的处理与对其它关键器件的调控。软件采用KILE C51编写，模块化结构。主要有LCD显示、按键扫描、A/D转换、MAX5494驱动和数据处理等。
3 结束语
好的器件要与合理的设计、适宜的软件相结合，才能体现整体优势。本系统采用了性能优异的微处理器MSC1201和高精度的数字电位器MAX5494，应用了由MCU的A/D转换器构成反馈的数字闭环控制和由运算放大器等构成深度反馈的模拟闭环控制的双闭环反馈控制回路系统，模拟反馈使电源系统快速反应、数字反馈则维持电流输出高精度和高稳定性。
参考文献
[1]徐龙红，杜军，张红印.线阵图像传感器TCD1208AP在桑蚕选种中的应用[J].电子设计工程，2011，19（6）：125-127.
[2]Maxim Integrated Inc.10-Bit Dual Nonvolatile Linear-Taper Digital Potentiometers[EB/0L].Printed USA.www.maxim-ic.com/packages.
作者简介
杜军（1961-），男，山东潍坊人，高级工程师，大学，从事计量管理与技术支持，研究方向：电子测量。