摘要：精密程控電流源采用USB通信模式，具有溫度測量和輸出電流非線性溫度補(bǔ)償功能，輸出電流的準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定可靠。文中介紹此電流源的電路設(shè)計(jì)、控制軟件設(shè)計(jì)及其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：USB總線 非線性溫度補(bǔ)償 溫度測量 XTR110
1 系統(tǒng)概述
程控電流源具有輸出電流范圍寬、準(zhǔn)確度高、功率大等特點(diǎn)，是組成自動(dòng)測試系統(tǒng)和校驗(yàn)系統(tǒng)的必需儀器，廣泛用于工礦企業(yè)、科研國防等軍工單位的計(jì)量儀表、自動(dòng)化標(biāo)定等設(shè)備中。本文介紹的精密程控電流源除上述特點(diǎn)外，還具備USB總線通信、溫度測量和輸出電流非線性溫度補(bǔ)償功能。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，精密程控電流源由微控制器（MCU）單元，USB接口單元，溫度測量單元，輸出電流校準(zhǔn)單元，信號輸出單元及電源單元組成。MCU單元通過USB接口單元實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，從上位機(jī)獲得控制命令并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)解析上位機(jī)命令來控制信號輸出信號，完成最終電流輸出。溫度測量單元和輸出電流校準(zhǔn)單元共同完成輸出電流的非線性溫度補(bǔ)償。電源單元向其他單元提供所需電源。精密程控電流源還包括過流檢測、系統(tǒng)自檢、繼電器隔離輸出等單元，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的智能性和可靠性。
2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2．1 USB接口單元
精密程控電流源通過USB總線與上位機(jī)接口，USB接口的熱插拔、高速和即插即用特性大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方便了電流源與上位機(jī)的通信，USB接口單元電路如圖2所示。
圖中，F(xiàn)T232AM完成USB總線到MCU串口信號線的轉(zhuǎn)換，以便上位機(jī)將USB虛擬成傳統(tǒng)的串行口，從而簡化了驅(qū)動(dòng)程序，便于實(shí)現(xiàn)USB總線與MCU的通信。為了避免USB信號與信號源間的干擾，選用光耦器件（圖中的U29）實(shí)現(xiàn)其與MCU的隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
2．2 MCU及其外接單元
微控制器MCU是精密程控電流源的核心控制單元，其與溫度測量單元及輸出電流校準(zhǔn)單元的接口電路如圖3所示。
MCU單元選用AT89C51型單片機(jī)構(gòu)建運(yùn)行環(huán)境，完成對電流源系統(tǒng)的控制，包括外部擴(kuò)展ROM、外部擴(kuò)展RAM、硬件看門狗、硬件地址譯碼器等。

圖2

考慮到器件輸出特性隨溫度的變化，MCU外接溫度測量單元和輸出電流校準(zhǔn)單元來完成輸出電流的非線性溫度補(bǔ)償，其原理是輸出電流校準(zhǔn)單元保存各溫度范圍內(nèi)不同設(shè)定電流值和實(shí)際輸出值之間的誤差，此誤差通過實(shí)際測量得到，稱為修正系數(shù)。系統(tǒng)工作時(shí)，通過溫度測量單元可得到當(dāng)前工作溫度，用此工作溫度對應(yīng)的設(shè)定電流值乘以修正系數(shù)，即可完成輸出電流的非線性溫度補(bǔ)償，大大提高電流的輸出精度。
溫度測量單元的核心器件是高精度數(shù)字溫度測量電路AD7416（圖中的U19），它采用IC總線與AT89C51接口，測量的環(huán)境溫度范圍為-10℃～+50℃，設(shè)計(jì)的MCU以十六進(jìn)制形式輸出所測溫度。
輸出電流校準(zhǔn)單元由M24C64型64k Bit EEPROM構(gòu)成，用來存貯電流源修正系統(tǒng)數(shù)值。MCU通過I2C總線可方便地對其進(jìn)行讀寫操作，并按照可變電流源的通信協(xié)議以8位十進(jìn)制數(shù)形式寫入和讀出修正系數(shù)，從而保證了對輸出電流的精確非線性溫度補(bǔ)償。
2．3 信號輸出單元
信號輸出單元完成精密程控電流源的電流產(chǎn)生與輸出，包括以12位高精度DAC-HK12BGC型DAC為核心的DAC轉(zhuǎn)換電路和由TI公司的精密電壓/電流轉(zhuǎn)換器組成的后級轉(zhuǎn)換電路。MCU先譯碼上位機(jī)指令，然后向DAC轉(zhuǎn)換電路寫入特定數(shù)據(jù)以控制其輸出的模擬電壓值。后級轉(zhuǎn)換電路接收DAC轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬電壓值完成電壓到電流的轉(zhuǎn)換，隨后輸出上位機(jī)設(shè)定的電流。信號輸出單元電路如圖4所示。

圖中，AT89C51的數(shù)據(jù)線D0-B7通過二片74HC573與DAC-HK12BGC接口來控制其模擬輸出，控制過程如下：AT89C51通過CS_DA與51_WR信號來啟動(dòng)DAC，當(dāng)DAC低字節(jié)選擇信號線CS_DAL與單片機(jī)寫使能線51_WR構(gòu)成的組合邏輯有效時(shí)，向DAC寫入低8位數(shù)據(jù)，然后以相同方式寫入高4位數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步提高精度，DAC輸出端連有電位器W1、W2，分別用來微調(diào)滿偏和零偏。
DAC輸出的模擬電壓信號DA_OUT接入后級轉(zhuǎn)化電路XTR110，先通過其片內(nèi)的金屬薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)提供輸入的縮放比例及電流偏移，完成電壓到電流的轉(zhuǎn)換，再通過IRF7104型場效應(yīng)管輸出電流。XTR110具有14位轉(zhuǎn)換精度，0.005%的非線性度，確保了轉(zhuǎn)換精度。電位器W3、W4分別用來微調(diào)輸出電流零偏和滿偏，進(jìn)一步提高精度。
3 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)
在電流源系統(tǒng)軟件中設(shè)計(jì)了完整的通信協(xié)議，規(guī)定了電流源從上位機(jī)獲得的控制命令字和相應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)值。系統(tǒng)控制程序以AT89C51型單片機(jī)作為控制核心，采用匯編語言編寫，分為主程序和串口中斷處理程序2部分。
3．1 主程序設(shè)計(jì)
主程序主要完成系統(tǒng)參數(shù)初始化、系統(tǒng)自檢、串口中斷配置等，流程如圖5所示。