一种基于STM32的高精度程控电流源设计

　　低纹波、高精度电流源是一种重要的仪器设备；广泛应用于电光源、电化学、通信、测量技术、电子仪器等领域。目前，市场上的电流源不具备连续可调功能；并且输出电流范围小、精度低、纹波大、价格昂贵；为应对市场需求；本文设计了输出电流为0~5A；最大功率为100Ｗ的高精度程控电流源；主要技术指标为：电流源工作电压220Ｖ/50Ｈｚ；输出电流范围0~5A连续可调；线路调整率《0。05％＋0。1MA；负载调整率《0。05％＋1MA；设准确度≪0。05％＋2MA；回读准确度《0。05％＋2MA；系统设定分辨率为0。1MA；回读分辨率为0。01MA。

1、线性稳流原理

数控式线性稳流电路结构如图1所示，它由调整管、误差放大器、电流检测器、D/A、A/D、MCU控制系统组成。当调整管工作在放大状态下，通过控制调整管基极电位，从而控制管压降UCE的大小，为了使输出电流稳定，当负载变化或者输入电压UI波动时，需要调整UCE，使输出电流保持不变。采用电流检测和误差放大器构成负反馈电路结构来达到稳流目标ꎮ假设UI或RＬ增大，输出电流增大，电流检测电路输出电压U＋增大，若控制电压UC保持不变，误差放大器输出U0ｌ减小，调整管的管压降UCE上升，使输出电流保持不变。设电流检测电路电压放大倍数为K，由运算放大器的虚短、虚断特性可得：

U＋＝KRI＝Uc（1）

从而得到，I＝UC/KR。因此，该电路能达到稳流目的。由式（1）可知，通过改变控制电压UC的大小，可改变输出电流的大小。MCU系统通过D/A器件可达到输出电流程控目的。

图1  线性稳流电路原理

2、电流源硬件设计

电流源硬件框图如图2所示，由T频变压器、单相桥式整流滤波、一次稳压、线性稳流、辅助电源、STM32系统、D/A和A/D组成。辅助电源采用LM317、LM337、LM7805、LM7905、AMS1117电源管理芯片，提供电路中芯片正常工作的电压。STM32单片机系统通过D/A控制线性稳流输出，通过A/D读取输出值，从而到达程控目的。

图2  基于STM32的电流源硬件框图

2.1、STM32单片机系统设计

采用STM32F407VGT6作为核心处理器。该处理器是基于ARMCortex-M4内核的低成本处理器，具有丰富的外设资源，主要用于电机控制，自动化，电子测量等应用领域。STM32单片机系统硬件框图如图3所示，由RS232串口电路，液晶显示模块，按键及旋转编码器，串行FLASH组成。系统通过按键和编码器获取用户输入，通过显示模块进行人机交互，RS232串口用于传送SCPI控制指令，实现计算机与系统连接，串行FIASH采用SST25VF芯片，用于掉电时储存运行数据。

图3  STM32单片机系统硬件框图

2.2、变压器抽头选择电路设计

为了提高程控电流源的精度以及减小系统功耗，在交直流变换中通过改变变压器抽头选择与设置电压相近的电压。变压器抽头选择电路，主要由滞回比较器和继电器组成。如图4所示，变压器有34V、28V、22V、16V以及10V交流输出．STM32处理器计算相应的电压量程后，通过控制S1、S2、S3、S4继电器开关来选择交流输入电压，本电路默认输入10V的交流电压。电流源输出电压经Ris与R19分压得来，为了稳定输出电压，在电路中加入滞回比较器，并把输出电压接到比较器正相端。

图４ 变压器抽头选择电路

2.3、程控稳流电路设计

程控稳流电路如图5所示，主要有电流检测电路、误差放大电路、误差放大稳压电路组成。电流检测电路主要有电流检测芯片INA286以及检测电阻（R59）组成，当电流通过R59时，R59产生一个电压从而把检测电流转换成电压，通过INA286将此电压进一步放大得到Usence，并其输入到误差放大器。通过OPA2188将Usence与设置电压（DA—Vin）比较后控制控制调整管的导通程度，从而控制电流大小。调整管采用两个达林顿管TIP147并联构成，降低单管电流，提高调整管的使用寿命。

考虑到本电路输出最大电流为5A，检测电流电阻的精度会影响到系统的精度，若电阻阻值选择过大，在大电流情况下发热严重，导致电阻阻值变化，从而影响系统的精度。采用DALE的高精度低温漂电阻作为电流检测电阻，阻值为0.01欧，在最大电流情况下该电阻的功率为0.25W．

图５ 稳流电路

2.4、A/D和D/A电路设计

如图6所示，由于电流源要求设定分辨率为0.1mA，需要采用13bit以上的D/A转换芯片作为电流控制功能。本文采用TI公司的DAC8830转换芯片。电路输出5A时，电流检测输出为SV。考虑到给予输出电流一定的余量，电流源设计成最大输出为5.5A。D/A转换器基准电压采用2.5V，在5.5A输出时，D/A电路需要输出s.sV，因此需要在D/A输出端加入一级电压放大器。此时，D/A的控制精度为1LSB=5.5/2‘6=0.084mA。

图６AD和DA电路

电流源的设计指标要求回读分辨率为0.01mA，需要采用19bit以上的A/D才能满足设计要求。本文采用24bit模数转换芯片LTC2400。通过R4和R5的分压使输入电压不会超过2.048V基准电压。电流回读精度为0.68uA。

3、电流源软件设计

电流源软件设计分为界面显示和控制两部分，主要功能有恒流输出，任意波形电流输出，按上次运行参数输出。同时，设计了基于串口通信的SCPI指令解析器，PC端可通过SCPI指令对电流源进行控制。

3.1、程控界面软件设计

电流源采用5inch800x480分辨率TFT显示模块进行界面显示，通过按键和旋转编码器设置运行参数。系统移植了嵌入式uCGUI界面系统，通过函数库调用完成界面设计。界面控制流程图如图7所示，完成界面创建后，系统等待输入信号。当输入信号来到时，系统根据信号类型进入对应的子函数。

图７界面控制流程图

3.2、电流输出控制程序设计

电流输出分为恒流输出和任意波形输出。恒流输出需要设置输出电流值，运行时间。恒流输出开始时，系统获取设置参数，并将设置电流值转换为D/A设置值，启动系统计时器，控制D/A输出并通过A/D读取输出电流。当运行结束信号有效时，输出结束。任意波形输出需要设置每个步序的上升时间，升毕电流值，顶部维持时间。具体控制流程如图8所示，系统获取输人参数后，启动定时器，根据上升时间判断该时间阶段是否处于电流上升阶段，若是，计算上升斜率值，控制D/A输出；否则，系统根据顶部维持时间判断该时间段是否处于电流维持阶段，若是，输出D/A值不变；否则，本步序输出结束。

图８任意波形电流输出控制流程图

3.3、SCPI指令解析器设计

SCPI指令是针对串口和GPIB接口的通信命令，由标准ASCⅡ码组成．IEEE488.2中定义SCPI命令位于硬件层之上，可实现对不同仪器的控制功能。PC端可通过SCPI指令实现对电流源的监测和控制。本文设计两类SCPI指令，一类是SCPI公用指令，以字符‘*’开始，如查询设备信息，系统复位等。另一类是电流源专用指令，分别为电流设置命令，电流回读命令，状态查询命令，输出使能／无效命令。一条SCPI指令包括指令题头，分隔符，指令参数。例如CURR:DCl.0，CURR：AC是本条指令题头，表示电流设置，设置为恒流模式，1.0是指令参数，表示设定恒流输出为1A。表1列出了本电流源系统用到的专用指令。

表1  电流源专用SCPI指令列表

本文采用查表法实现SCPI指令解析。当接收到SCPI指令时，系统首先判断指令的语法是否正确，若语法错误，返回错误代码，若正确，则对指令进行预处理，并在已存的指令表中查找对应的人口函数。软件流程如图9所示。

图９SCPI指令解析流程

4、实验验证

4.1、电流源输出精度实验

高精度程控电流源样机如图10所示，为了验证电流源输出精度，将4Q电阻负载接人电流源，采用UT61E电流表进行测量，在输出0—5A测得对应的输出值。表2列出了部分实验数据，从中可得到，本电流源设置精度可达到0.05%+2mA，回读分辨率可达到0.05%+2mA，满足设定的指标。

图10  高精度程控电流源样机

表2电流源输出精度数据          单位：ｍA

5、结束语

采用线性稳流结构，设计了一种高精度程控电流源系统。电流源最大输出功率为100W．输出电流范围0—5A，设置精度可达到0.05%+2mA，回读分辨率可达到0.05%+2mA。软件上设计了SCPI指令解析器，可通过指令实现控制功能。通过实验证明，该电流源工作稳定，精度高，电流输出范围大，满足工程需要。