基于STC89C52的程控恒流源的設計

高精度的程控恒流電源在儀器儀表、傳感器技術和測試領域中有著廣泛的應用。以往程控恒流源電路大都采用PWM脈沖方式，雖便于控制和調節，但精度難以保證，并且PWM方式的波形占空比調節范圍有限，難以滿足連續可調大電流的要求。本文介紹一種采用STC89C52單片機控制壓控恒流源并通過擴流電路來實現恒流源程序控制的方案，其輸出電流值可達2A。

程控恒流源的構成和工作原理
程控恒流源電路由壓控電路、擴流電路和數控電路組成，結構如圖1所示。

圖1 程控恒流源電路的組成框圖

本恒流源電路采用STC89C52控制D/A轉換電路產生電壓控制信號，通過1個精密線性壓控電流源和擴流電路輸出所需的電流值；取樣電路采樣后經A/D轉換由數控電路讀出，然后送到顯示控制電路顯示；同時，取樣電路給壓控電流源提供電流負反饋以進一步穩定電流輸出。

程控恒流源電路設計
1 數控電路的設計
數控電路采用由STC89C52構成的單片機最小系統來負責對D/A、A/D的控制，以及按鍵響應和LED的顯示。模塊內的數字電路和模擬電路各自采用獨立的穩壓電路供電，以減小數字電路高頻峰值電流對模擬電路的影響，可以很大程度上降低D/A輸出的紋波電壓。

本設計中的D/A轉換電路采用MAX531，使用其內部自帶的2.048V基準源，D/A轉換的分辨率為0.5mV，加在1Ω的取樣電阻上就可以分辨出0.5mA的電流（步進0.5mA）。

A/D轉換電路采用MAX1241，與MAX531使用同一基準源。A/D轉換的分辨率為0.5mV，取樣電阻為1Ω時，測量電流的分辨率為0.5mA（可根據步進和測量精度的實際要求，選擇D/A、A/D轉換器的位數和參考電壓）。

由于要實現人機對話，至少要有10個數字按鍵和2個步進按鍵，考慮到還要實現其他的功能鍵，選用16按鍵的鍵盤來完成整個系統控制最合適。顯示部分采用8位LED數碼管，其價格便宜，易于實現。考慮到單片機的I/O端口有限，為了充分優化系統，采用外部擴展1片8155來實現鍵盤接口與顯示功能。

2 壓控電流源的設計
壓控電流源的負反饋放大部分有1個精密運放構成的同相放大器，引入深度的電流負反饋，從而穩定輸出到負載的電流，如圖2所示。運放正常工作于同相放大狀態時，由運放虛地的原理可知取樣電阻上的電壓：U2=Uin，因此I2=U2/R2=Uin/R2。因為采用高輸入阻抗的放大器，反相輸入端的電流近似為零，負載電流IL=I2=Uin/R2。只要擴流電路性能好，輸出電流的精度完全取決于取樣電阻的精度。

圖2 壓控電流源電路原理圖

3 擴流電路的設計
擴流電路選用S類功率放大器，原理如圖3所示。其特點是用電壓控制放大器與電流驅動放大器構成電橋，使電壓放大器工作在無負載的狀態（輸出電流為零），而后級則工作于壓控跟隨器狀態，很容易實現很好的跟隨作用。而對于負載來說，前后級是并聯輸出的，而負反饋是從取樣電阻引出送回前級放大器上的。因此，S類功放的質量取決于前級。

圖3 S類功放擴流電路原理圖

S類功率放大電路的核心是1個帶負載能力很強的電流驅動放大器，與負載之間通過電橋耦合。假設放大器的開環增益接近無窮大，那么放大器兩輸入端的電壓將極度接近，用公式表示為：I1R1=I2R2,I3R3=I4R4。
若放大器輸入阻抗無窮大，放大器兩輸入端的電流近似為零，則I2=I4，可得，I1=I2R2R3/R4R1；電橋平衡時，R2R3=R4R1，所以I1=I2，因此I1=0。

根據以上推導，說明當S類功率放大電路穩定工作后，前級放大電路工作在空載或輕載狀態，負載所需要的電流完全由后級的電流驅動放大電路提供。這樣，電路對前級壓控電流源的負載要求不高。

綜上所述，只要選擇高輸入性能和強負載能力的后級功放芯片，輸出的變化完全由前級決定。而前級工作在空載狀態，其性能基本與負載的變化無關。這樣在設計前級時，可以拋開負載能力的考慮而直接使用高精度、低失調的運算放大器；設計后級時，因為輸出取決于前級，不必擔心負載的加入會影響它的工作性能，選擇范圍變得更寬。

基于S類功放電路的設計原則，為保證電路的可靠性和足夠的性能，采用高品質功放芯片LM3886，其各項電氣性能非常接近理想放大器，并且有足夠的輸出功率。

測試結果表明，無論是大電流還是小電流，負載阻值的改變對系統的影響都比較小，說明系統達到恒流這一基本要求。

結語
該程控恒流源的主要特點是采用S類反饋控制放大電路，實現精密電流控制，具有操作方便、穩定可靠等優點，通過實際測試性能優越。