低紋波、高精度電流源是一種重要的儀器設備;廣泛應用于電光源、電化學、通信、測量技術、電子儀器等領域。目前，市場上的電流源不具備連續(xù)可調功能;并且輸出電流范圍小、精度低、紋波大、價格昂貴;為應對市場需求;本文設計了輸出電流為0~5A;最大功率為100W的高精度程控電流源;主要技術指標為：電流源工作電壓220V/50Hz;輸出電流范圍0~5A連續(xù)可調;線路調整率《0。05%+0。1MA;負載調整率《0。05%+1MA;設準確度?0。05%+2MA;回讀準確度《0。05%+2MA;系統(tǒng)設定分辨率為0。1MA;回讀分辨率為0。01MA。

1、線性穩(wěn)流原理

數控式線性穩(wěn)流電路結構如圖1所示，它由調整管、誤差放大器、電流檢測器、D/A、A/D、MCU控制系統(tǒng)組成。當調整管工作在放大狀態(tài)下，通過控制調整管基極電位，從而控制管壓降UCE的大小，為了使輸出電流穩(wěn)定，當負載變化或者輸入電壓UI波動時，需要調整UCE，使輸出電流保持不變。采用電流檢測和誤差放大器構成負反饋電路結構來達到穩(wěn)流目標?假設UI或RL增大，輸出電流增大，電流檢測電路輸出電壓U+增大，若控制電壓UC保持不變，誤差放大器輸出U0l減小，調整管的管壓降UCE上升，使輸出電流保持不變。設電流檢測電路電壓放大倍數為K，由運算放大器的虛短、虛斷特性可得：

U+=KRI=Uc(1)

從而得到，I=UC/KR。因此，該電路能達到穩(wěn)流目的。由式(1)可知，通過改變控制電壓UC的大小，可改變輸出電流的大小。MCU系統(tǒng)通過D/A器件可達到輸出電流程控目的。

圖1 線性穩(wěn)流電路原理

2、電流源硬件設計

電流源硬件框圖如圖2所示，由T頻變壓器、單相橋式整流濾波、一次穩(wěn)壓、線性穩(wěn)流、輔助電源、STM32系統(tǒng)、D/A和A/D組成。輔助電源采用LM317、LM337、LM7805、LM7905、AMS1117電源管理芯片，提供電路中芯片正常工作的電壓。STM32單片機系統(tǒng)通過D/A控制線性穩(wěn)流輸出，通過A/D讀取輸出值，從而到達程控目的。

圖2 基于STM32的電流源硬件框圖

2.1、STM32單片機系統(tǒng)設計

采用STM32F407VGT6作為核心處理器。該處理器是基于ARMCortex-M4內核的低成本處理器，具有豐富的外設資源，主要用于電機控制，自動化，電子測量等應用領域。STM32單片機系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，由RS232串口電路，液晶顯示模塊，按鍵及旋轉編碼器，串行FLASH組成。系統(tǒng)通過按鍵和編碼器獲取用戶輸入，通過顯示模塊進行人機交互，RS232串口用于傳送SCPI控制指令，實現計算機與系統(tǒng)連接，串行FIASH采用SST25VF芯片，用于掉電時儲存運行數據。

圖3 STM32單片機系統(tǒng)硬件框圖

2.2、變壓器抽頭選擇電路設計

為了提高程控電流源的精度以及減小系統(tǒng)功耗，在交直流變換中通過改變變壓器抽頭選擇與設置電壓相近的電壓。變壓器抽頭選擇電路，主要由滯回比較器和繼電器組成。如圖4所示，變壓器有34V、28V、22V、16V以及10V交流輸出.STM32處理器計算相應的電壓量程后，通過控制S1、S2、S3、S4繼電器開關來選擇交流輸入電壓，本電路默認輸入10V的交流電壓。電流源輸出電壓經Ris與R19分壓得來，為了穩(wěn)定輸出電壓，在電路中加入滯回比較器，并把輸出電壓接到比較器正相端。

圖4 變壓器抽頭選擇電路

2.3、程控穩(wěn)流電路設計

程控穩(wěn)流電路如圖5所示，主要有電流檢測電路、誤差放大電路、誤差放大穩(wěn)壓電路組成。電流檢測電路主要有電流檢測芯片INA286以及檢測電阻(R59)組成，當電流通過R59時，R59產生一個電壓從而把檢測電流轉換成電壓，通過INA286將此電壓進一步放大得到Usence，并其輸入到誤差放大器。通過OPA2188將Usence與設置電壓(DA—Vin)比較后控制控制調整管的導通程度，從而控制電流大小。調整管采用兩個達林頓管TIP147并聯構成，降低單管電流，提高調整管的使用壽命。

考慮到本電路輸出最大電流為5A，檢測電流電阻的精度會影響到系統(tǒng)的精度，若電阻阻值選擇過大，在大電流情況下發(fā)熱嚴重，導致電阻阻值變化，從而影響系統(tǒng)的精度。采用DALE的高精度低溫漂電阻作為電流檢測電阻，阻值為0.01歐，在最大電流情況下該電阻的功率為0.25W.

圖5 穩(wěn)流電路

2.4、A/D和D/A電路設計

如圖6所示，由于電流源要求設定分辨率為0.1mA，需要采用13bit以上的D/A轉換芯片作為電流控制功能。本文采用TI公司的DAC8830轉換芯片。電路輸出5A時，電流檢測輸出為SV?？紤]到給予輸出電流一定的余量，電流源設計成最大輸出為5.5A。D/A轉換器基準電壓采用2.5V，在5.5A輸出時，D/A電路需要輸出s.sV，因此需要在D/A輸出端加入一級電壓放大器。此時，D/A的控制精度為1LSB=5.5/2‘6=0.084mA。

圖6AD和DA電路

電流源的設計指標要求回讀分辨率為0.01mA，需要采用19bit以上的A/D才能滿足設計要求。本文采用24bit模數轉換芯片LTC2400。通過R4和R5的分壓使輸入電壓不會超過2.048V基準電壓。電流回讀精度為0.68uA。

3、電流源軟件設計

電流源軟件設計分為界面顯示和控制兩部分，主要功能有恒流輸出，任意波形電流輸出，按上次運行參數輸出。同時，設計了基于串口通信的SCPI指令解析器，PC端可通過SCPI指令對電流源進行控制。

3.1、程控界面軟件設計

電流源采用5inch800x480分辨率TFT顯示模塊進行界面顯示，通過按鍵和旋轉編碼器設置運行參數。系統(tǒng)移植了嵌入式uCGUI界面系統(tǒng)，通過函數庫調用完成界面設計。界面控制流程圖如圖7所示，完成界面創(chuàng)建后，系統(tǒng)等待輸入信號。當輸入信號來到時，系統(tǒng)根據信號類型進入對應的子函數。

圖7界面控制流程圖

3.2、電流輸出控制程序設計

電流輸出分為恒流輸出和任意波形輸出。恒流輸出需要設置輸出電流值，運行時間。恒流輸出開始時，系統(tǒng)獲取設置參數，并將設置電流值轉換為D/A設置值，啟動系統(tǒng)計時器，控制D/A輸出并通過A/D讀取輸出電流。當運行結束信號有效時，輸出結束。任意波形輸出需要設置每個步序的上升時間，升畢電流值，頂部維持時間。具體控制流程如圖8所示，系統(tǒng)獲取輸人參數后，啟動定時器，根據上升時間判斷該時間階段是否處于電流上升階段，若是，計算上升斜率值，控制D/A輸出;否則，系統(tǒng)根據頂部維持時間判斷該時間段是否處于電流維持階段，若是，輸出D/A值不變;否則，本步序輸出結束。

圖8任意波形電流輸出控制流程圖

3.3、SCPI指令解析器設計

SCPI指令是針對串口和GPIB接口的通信命令，由標準ASCⅡ碼組成.IEEE488.2中定義SCPI命令位于硬件層之上，可實現對不同儀器的控制功能。PC端可通過SCPI指令實現對電流源的監(jiān)測和控制。本文設計兩類SCPI指令，一類是SCPI公用指令，以字符‘*’開始，如查詢設備信息，系統(tǒng)復位等。另一類是電流源專用指令，分別為電流設置命令，電流回讀命令，狀態(tài)查詢命令，輸出使能/無效命令。一條SCPI指令包括指令題頭，分隔符，指令參數。例如CURR:DCl.0，CURR：AC是本條指令題頭，表示電流設置，設置為恒流模式，1.0是指令參數，表示設定恒流輸出為1A。表1列出了本電流源系統(tǒng)用到的專用指令。

表1 電流源專用SCPI指令列表

本文采用查表法實現SCPI指令解析。當接收到SCPI指令時，系統(tǒng)首先判斷指令的語法是否正確，若語法錯誤，返回錯誤代碼，若正確，則對指令進行預處理，并在已存的指令表中查找對應的人口函數。軟件流程如圖9所示。

圖9SCPI指令解析流程

4、實驗驗證

4.1、電流源輸出精度實驗

高精度程控電流源樣機如圖10所示，為了驗證電流源輸出精度，將4Q電阻負載接人電流源，采用UT61E電流表進行測量，在輸出0—5A測得對應的輸出值。表2列出了部分實驗數據，從中可得到，本電流源設置精度可達到0.05%+2mA，回讀分辨率可達到0.05%+2mA，滿足設定的指標。

圖10 高精度程控電流源樣機

表2電流源輸出精度數據 單位：mA

5、結束語

采用線性穩(wěn)流結構，設計了一種高精度程控電流源系統(tǒng)。電流源最大輸出功率為100W.輸出電流范圍0—5A，設置精度可達到0.05%+2mA，回讀分辨率可達到0.05%+2mA。軟件上設計了SCPI指令解析器，可通過指令實現控制功能。通過實驗證明，該電流源工作穩(wěn)定，精度高，電流輸出范圍大，滿足工程需要。