基于AVR单片机PWM功能的数控恒流源研制(图)

                        随着电子技术的深入发展，各种智能仪器越来越多，涉及领域越来越广，而仪器对电源的要求也越来越高。现今，电源设备有朝着数字化方向发展的趋势。然而绝大多数数控电源设计是通过高位数的A/D和D/A芯片来实现的，这虽然能获得较高的精度，但也使得成本大为增加。本文介绍一种基于AVR单片机PWM功能的低成本高精度数控恒流源，能够精确实现0～2A恒流。
            系统框图
            
图1为系统的总体框图。本系统通过小键盘和LCD实现人机交流，小键盘负责接收要实现的电流值，LCD12864负责显示。AVR单片机根据输入的电流值产生对应的PWM波，经过滤波和功放电路后对压控恒流元件进行控制，产生电流，电流再经过采样电阻到达负载。同时，对采样电阻两端信号进行差分和放大，送入ADC。单片机根据采集到的值调整PWM输出，从而调整了输出电流。如此反复，直到电流达到设定要求。
            

            

图1  数控恒流源系统框图

            模块介绍
            
            1 人机接口模块
            
本模块包括小键盘电路和液晶显示电路。键盘设计为3×4键盘，由数字键0～9，功能键“删除”及“确认”组成，采用反转法实现键值识别。显示电路由带中文字库的LCD 12864构成，该液晶可以每行8个汉字显示4行。由于这部分电路比较简单，在此不详述。
            
            2 核心控制模块
            
            系统的核心控制模块为AVR单片机（ATMEGA 16L）。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。
            
AVR单片机片内有一个具有16位PWM功能的定时/计数器。在普通模式下，计数器不停地累加，计到最大值（TOP=0xffff）后溢出，返回到最小值0x0000重新开始。当启用PWM功能即在单片机的快速PWM模式下，通过调整OCR1A的值可实现输出PWM波的占空比变化。产生PWM波形的机理是：PWM引脚电平在发生匹配时（匹配值为0～0xffff之间的值，如图2中的C），以及在计数器清零（从MAX变为BOTTOM）的那一个定时器时钟周期内发生跳变，具体实现过程如图2所示。
            

            

图2  PWM波产生过程

            
图2中的C～F为OCR1A匹配值。从图中可见，波形在每个匹配值处以及计数清零时输出发生变化，从而实现了PWM波。由于OCR1A的值可以从0x0000到0xffff，共有65535个值，因此PWM波的最大分辨率为1/65535，满足系统分辨率设计要求。PWM波的频率为：
            
                    （1）
            
            其中，fclk_I/O为系统时钟频率  （7.3728MHz），N为分频系数（取1、8、64、256或1024）。在N取1时，根据式（1）得PWM波的最大频率为7.3728MHz；当N取1024时，PWM波的最小频率为 7.2kHz。本系统N取256，PWM波频率为28.8kHz。
            
            单片机内部有1个10位的逐次逼近型ADC，当使用片内VCC作为参考电压Vref，其分辨率为：
            
                    （2）
            
            若使用片内的2.56V基准源作为参考电压，依据式（2）可得到其分辨率为0.003V。
            
            当系统需要更高的分辨率时，可以通过软件补偿的方法来实现。具体实现方法可参考相关资料。
            
            3 滤波和功放模块
            

            

图3  二阶RC低通滤波电路

            
            PWM波产生后不能直接用于控制MOSFET，需把其变成能随占空比变化而变化的直流电压。在此，我们选用二阶RC低通无源滤波器，并取得了很好的效果。
            二阶RC低通无源滤波器的系统函数为：
            
                     （3）
            
            其中，A为通带增益，Q为品质因素，  ω0为截止频率。根据式（1）算出PWM波的频率，取截止频率为30kHz，由式（3）可确定对应的电阻、电容值。
            
            由于无源滤波器的负载能力差，信号经过二阶无源滤波网络后衰减比较厉害，需要增加一级功率放大电路。功放电路比较简单，也有经典电路，限于篇幅不再赘述。
            
            4 恒流源模块
            
            恒流源采用的是压控恒流元件IRF540，它的VGS为20V，ID为33A。截止时，最大漏电流为1μA，导通电阻仅有0.04Ω，图4为IRF540的特性曲线。
            

            

图4  IRF540特性曲线

            
            由图4可知，当VGS为5V时，可输出电流就可达到30A左右，完全能实现小电压控制大电流的目的。具体应用电路如图5所示。
            

            

图5  横流电路

            
IRF540的G极接PWM波转换后的直流电压，D极接能提供15V/5A电流的电源（可采用开关电源），S极用来接采样电阻和负载。采样电阻应采用温漂系数低、阻值为10mΩ、精度为1%的大功率锰铜丝电阻。当对采样电阻两端信号进行差分后，可得到采样电阻两端的电压值U，而在已知采样电阻阻值情况下，很容易得到流经采样电阻的电流，即I=U/R。由于负载与采样电阻在同一条支路，故流经负载的电流也为I。差分放大电路的放大倍数可根据采样电阻阻值以及ADC的参考电压来选择，图5中要求R1=R3，R2=R4，放大倍数为R4/R3。需要注意的是该电路应该具有很高的输入阻抗，以减少对负载电路的影响。差分信号经ADC口送入单片机进行处理。
            软件设计
            
由图6可知，整个系统是一个动态的闭环系统。由于PWM初始匹配值设置的大小不同，电流值在开始时可能会跟设定值有较大偏差。随着闭环系统的自我调整，逐渐使输出稳定在设定值上下。系统达到稳定状态的时间以及稳定后电流值波动的幅度，可根据设计要求由软件来调整。
            

            

图6  程序流程图

            实验结果
            
            我们对此数控恒流源进行了负载测试，测试结果如下：
            
            从表1和表2的实测数据中可以看出，该恒流源在负载为100Ω以内，最大误差仅为2mA，在0～200mA段没有误差，满足了设计要求，达到了较高的精度。
            
            如果需要提高200mA段以上的精度，可采用软件补偿的方法实现。即先测量足够多的测试数据，然后采用曲线拟合方法对数据分段进行补偿，详细方法可参考相关资料。
            结语
            
            本文介绍的基于PWM技术的数控恒流源电路结构简单，成本低，系统稳定可靠，精度高，已经应用于工业生产。如果设计要求更高的恒流值，可以更换更大功率的+15V/I电源，以及更换合适的压控恒流元件。
       随着电子技术的深入发展，各种智能仪器越来越多，涉及领域越来越广，而仪器对电源的要求也越来越高。现今，电源设备有朝着数字化方向发展的趋势。然而绝大多数数控电源设计是通过高位数的A/D和D/A芯片来实现的，这虽然能获得较高的精度，但也使得成本大为增加。本文介绍一种基于AVR单片机PWM功能的低成本高精度数控恒流源，能够精确实现0～2A恒流。
            系统框图
            
图1为系统的总体框图。本系统通过小键盘和LCD实现人机交流，小键盘负责接收要实现的电流值，LCD12864负责显示。AVR单片机根据输入的电流值产生对应的PWM波，经过滤波和功放电路后对压控恒流元件进行控制，产生电流，电流再经过采样电阻到达负载。同时，对采样电阻两端信号进行差分和放大，送入ADC。单片机根据采集到的值调整PWM输出，从而调整了输出电流。如此反复，直到电流达到设定要求。
            

            

图1  数控恒流源系统框图

            模块介绍
            
            1 人机接口模块
            
本模块包括小键盘电路和液晶显示电路。键盘设计为3×4键盘，由数字键0～9，功能键“删除”及“确认”组成，采用反转法实现键值识别。显示电路由带中文字库的LCD 12864构成，该液晶可以每行8个汉字显示4行。由于这部分电路比较简单，在此不详述。
            
            2 核心控制模块
            
            系统的核心控制模块为AVR单片机（ATMEGA 16L）。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。
            
AVR单片机片内有一个具有16位PWM功能的定时/计数器。在普通模式下，计数器不停地累加，计到最大值（TOP=0xffff）后溢出，返回到最小值0x0000重新开始。当启用PWM功能即在单片机的快速PWM模式下，通过调整OCR1A的值可实现输出PWM波的占空比变化。产生PWM波形的机理是：PWM引脚电平在发生匹配时（匹配值为0～0xffff之间的值，如图2中的C），以及在计数器清零（从MAX变为BOTTOM）的那一个定时器时钟周期内发生跳变，具体实现过程如图2所示。
            

            

图2  PWM波产生过程

            
图2中的C～F为OCR1A匹配值。从图中可见，波形在每个匹配值处以及计数清零时输出发生变化，从而实现了PWM波。由于OCR1A的值可以从0x0000到0xffff，共有65535个值，因此PWM波的最大分辨率为1/65535，满足系统分辨率设计要求。PWM波的频率为：
            
                    （1）
            
            其中，fclk_I/O为系统时钟频率  （7.3728MHz），N为分频系数（取1、8、64、256或1024）。在N取1时，根据式（1）得PWM波的最大频率为7.3728MHz；当N取1024时，PWM波的最小频率为 7.2kHz。本系统N取256，PWM波频率为28.8kHz。
            
            单片机内部有1个10位的逐次逼近型ADC，当使用片内VCC作为参考电压Vref，其分辨率为：
            
                    （2）
            
            若使用片内的2.56V基准源作为参考电压，依据式（2）可得到其分辨率为0.003V。
            
            当系统需要更高的分辨率时，可以通过软件补偿的方法来实现。具体实现方法可参考相关资料。
            
            3 滤波和功放模块
            

            

图3  二阶RC低通滤波电路

            
            PWM波产生后不能直接用于控制MOSFET，需把其变成能随占空比变化而变化的直流电压。在此，我们选用二阶RC低通无源滤波器，并取得了很好的效果。
            二阶RC低通无源滤波器的系统函数为：
            
                     （3）
            
            其中，A为通带增益，Q为品质因素，  ω0为截止频率。根据式（1）算出PWM波的频率，取截止频率为30kHz，由式（3）可确定对应的电阻、电容值。
            
            由于无源滤波器的负载能力差，信号经过二阶无源滤波网络后衰减比较厉害，需要增加一级功率放大电路。功放电路比较简单，也有经典电路，限于篇幅不再赘述。
            
            4 恒流源模块
            
            恒流源采用的是压控恒流元件IRF540，它的VGS为20V，ID为33A。截止时，最大漏电流为1μA，导通电阻仅有0.04Ω，图4为IRF540的特性曲线。
            

            

图4  IRF540特性曲线

            
            由图4可知，当VGS为5V时，可输出电流就可达到30A左右，完全能实现小电压控制大电流的目的。具体应用电路如图5所示。
            

            

图5  横流电路

            
IRF540的G极接PWM波转换后的直流电压，D极接能提供15V/5A电流的电源（可采用开关电源），S极用来接采样电阻和负载。采样电阻应采用温漂系数低、阻值为10mΩ、精度为1%的大功率锰铜丝电阻。当对采样电阻两端信号进行差分后，可得到采样电阻两端的电压值U，而在已知采样电阻阻值情况下，很容易得到流经采样电阻的电流，即I=U/R。由于负载与采样电阻在同一条支路，故流经负载的电流也为I。差分放大电路的放大倍数可根据采样电阻阻值以及ADC的参考电压来选择，图5中要求R1=R3，R2=R4，放大倍数为R4/R3。需要注意的是该电路应该具有很高的输入阻抗，以减少对负载电路的影响。差分信号经ADC口送入单片机进行处理。
            软件设计
            
由图6可知，整个系统是一个动态的闭环系统。由于PWM初始匹配值设置的大小不同，电流值在开始时可能会跟设定值有较大偏差。随着闭环系统的自我调整，逐渐使输出稳定在设定值上下。系统达到稳定状态的时间以及稳定后电流值波动的幅度，可根据设计要求由软件来调整。
            

            

图6  程序流程图

            实验结果
            
            我们对此数控恒流源进行了负载测试，测试结果如下：
            
            从表1和表2的实测数据中可以看出，该恒流源在负载为100Ω以内，最大误差仅为2mA，在0～200mA段没有误差，满足了设计要求，达到了较高的精度。
            
            如果需要提高200mA段以上的精度，可采用软件补偿的方法实现。即先测量足够多的测试数据，然后采用曲线拟合方法对数据分段进行补偿，详细方法可参考相关资料。
            结语
            
            本文介绍的基于PWM技术的数控恒流源电路结构简单，成本低，系统稳定可靠，精度高，已经应用于工业生产。如果设计要求更高的恒流值，可以更换更大功率的+15V/I电源，以及更换合适的压控恒流元件。