基于AVR单片机PWM功能的低成本高精度数控恒流源

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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,LCD 12864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。

系统的总体框图

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。

PWM波产生过程

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:

公式(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:

公式(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

二阶RC低通滤波电路

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:

公式(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。

IRF540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。

 横流电路

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。

程序流程图

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。

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