基于AVR單片機PWM功能的數(shù)控恒流源

1、隨著電子技術的深入發(fā)展，各種智能儀器越.基于AVR單片機PWM功能的數(shù)控恒流源研制854減小字體 增大字體 作者：桂林電子科技大學 梁坤 胡鴻志  來源：今日電子  發(fā)布時間：2007-10-19 10:50:33隨著電子技術的深入發(fā)展，各種智能儀器越來越多，涉及領域越來越廣，而儀器對電源的要求也越來越高?，F(xiàn)今，電源設備有朝著數(shù)字化方向發(fā)展的趨勢。然而絕大多數(shù)數(shù)控電源設計是通過高位數(shù)的A/D和D/A芯片來實現(xiàn)的，這雖然能獲得較高的精度，但也使得成本大為增加。本文介紹一種基于AVR單片機PWM功能的低成本高精度數(shù)控恒流源，能夠精確實現(xiàn)02A恒流。系統(tǒng)框圖圖

2、1為系統(tǒng)的總體框圖。本系統(tǒng)通過小鍵盤和LCD實現(xiàn)人機交流，小鍵盤負責接收要實現(xiàn)的電流值，LCD 12864負責顯示。AVR單片機根據(jù)輸入的電流值產(chǎn)生對應的PWM波，經(jīng)過濾波和功放電路后對壓控恒流元件進行控制，產(chǎn)生電流，電流再經(jīng)過采樣電阻到達負載。同時，對采樣電阻兩端信號進行差分和放大，送入ADC。單片機根據(jù)采集到的值調(diào)整PWM輸出，從而調(diào)整了輸出電流。如此反復，直到電流達到設定要求。圖1  數(shù)控恒流源系統(tǒng)框圖模塊介紹1 人機接口模塊本模塊包括小鍵盤電路和液晶顯示電路。鍵盤設計為3×4鍵盤，由數(shù)字鍵09，功能鍵“刪除”及“確認”組成，采用反轉(zhuǎn)法實現(xiàn)鍵值識別。顯示電路由帶中文字

3、庫的LCD 12864構成，該液晶可以每行8個漢字顯示4行。由于這部分電路比較簡單，在此不詳述。2 核心控制模塊系統(tǒng)的核心控制模塊為AVR單片機（ATMEGA 16L）。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。AVR單片機片內(nèi)有一個具有16位PWM功能的定時/計數(shù)器。在普通模式下，計數(shù)器不停地累加，計到最大值（TOP=0xffff）后溢出，返回到最小值0x0000重新開始。當啟用PWM功能即在單片機的快速PWM模式下，通過調(diào)整OCR1A的值可實現(xiàn)輸出PWM波的占空比變化。產(chǎn)生PWM波形的機理是：PWM引腳電平在發(fā)生匹配時（匹配值為00xffff之間的值，如圖2中的C），以及在計數(shù)器清零（從M

4、AX變?yōu)锽OTTOM）的那一個定時器時鐘周期內(nèi)發(fā)生跳變，具體實現(xiàn)過程如圖2所示。圖2  PWM波產(chǎn)生過程圖2中的CF為OCR1A匹配值。從圖中可見，波形在每個匹配值處以及計數(shù)清零時輸出發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了PWM波。由于OCR1A的值可以從0x0000到0xffff，共有65535個值，因此PWM波的最大分辨率為1/65535，滿足系統(tǒng)分辨率設計要求。PWM波的頻率為：        （1）其中，fclk_I/O為系統(tǒng)時鐘頻率   （7.3728MHz），N為分頻系數(shù)（取1、8、64、256或10

5、24）。在N取1時，根據(jù)式（1）得PWM波的最大頻率為7.3728MHz；當N取1024時，PWM波的最小頻率為  7.2kHz。本系統(tǒng)N取256，PWM波頻率為28.8kHz。單片機內(nèi)部有1個10位的逐次逼近型ADC，當使用片內(nèi)VCC作為參考電壓Vref，其分辨率為：       （2）若使用片內(nèi)的2.56V基準源作為參考電壓，依據(jù)式（2）可得到其分辨率為0.003V。當系統(tǒng)需要更高的分辨率時，可以通過軟件補償?shù)姆椒▉韺崿F(xiàn)。具體實現(xiàn)方法可參考相關資料。3 濾波和功放模塊圖3  二階RC低通濾波電路PWM波產(chǎn)生后不

6、能直接用于控制MOSFET，需把其變成能隨占空比變化而變化的直流電壓。在此，我們選用二階RC低通無源濾波器，并取得了很好的效果。二階RC低通無源濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：         （3）其中，A為通帶增益，Q為品質(zhì)因素，  0為截止頻率。根據(jù)式（1）算出PWM波的頻率，取截止頻率為30kHz，由式（3）可確定對應的電阻、電容值。由于無源濾波器的負載能力差，信號經(jīng)過二階無源濾波網(wǎng)絡后衰減比較厲害，需要增加一級功率放大電路。功放電路比較簡單，也有經(jīng)典電路，限于篇幅不再贅述。4 恒流源模塊恒流源采用的是壓控恒

7、流元件IRF540，它的VGS為20V，ID為33A。截止時，最大漏電流為1A，導通電阻僅有0.04，圖4為IRF540的特性曲線。 圖4  IRF540特性曲線由圖4可知，當VGS為5V時，可輸出電流就可達到30A左右，完全能實現(xiàn)小電壓控制大電流的目的。具體應用電路如圖5所示。圖5  橫流電路IRF540的G極接PWM波轉(zhuǎn)換后的直流電壓，D極接能提供15V/5A電流的電源（可采用開關電源），S極用來接采樣電阻和負載。采樣電阻應采用溫漂系數(shù)低、阻值為10m、精度為1%的大功率錳銅絲電阻。當對采樣電阻兩端信號進行差分后，可得到采樣電阻兩端的電壓值U，而在已知采樣電阻阻值情況下

8、，很容易得到流經(jīng)采樣電阻的電流，即I=U/R。由于負載與采樣電阻在同一條支路，故流經(jīng)負載的電流也為I。差分放大電路的放大倍數(shù)可根據(jù)采樣電阻阻值以及ADC的參考電壓來選擇，圖5中要求R1=R3，R2=R4，放大倍數(shù)為R4/R3。需要注意的是該電路應該具有很高的輸入阻抗，以減少對負載電路的影響。差分信號經(jīng)ADC口送入單片機進行處理。軟件設計由圖6可知，整個系統(tǒng)是一個動態(tài)的閉環(huán)系統(tǒng)。由于PWM初始匹配值設置的大小不同，電流值在開始時可能會跟設定值有較大偏差。隨著閉環(huán)系統(tǒng)的自我調(diào)整，逐漸使輸出穩(wěn)定在設定值上下。系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間以及穩(wěn)定后電流值波動的幅度，可根據(jù)設計要求由軟件來調(diào)整。圖6  程序流程圖實驗結(jié)果我們對此數(shù)控恒流源進行了負載測試，測試結(jié)果如下：從表1和表2的實測數(shù)據(jù)中可以看出，該恒流源在負載為100以內(nèi)，最大誤差僅為2mA，在0200mA段沒有誤差，滿足了設計要求，達到了較高的精度。如果需要提高200mA段以上的精度，可采用軟件補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)。即先測量足夠多的測