0 引言

　　交流電流源是一種電源設(shè)備，當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，它能保持負(fù)載電流不變或變化很小[1]。因其特性而廣泛應(yīng)用于儀器設(shè)備中磁場(chǎng)的產(chǎn)生、開(kāi)關(guān)和繼電器觸點(diǎn)的檢測(cè)等領(lǐng)域，以及傳感器技術(shù)、測(cè)試儀器等電子設(shè)備中[2]。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)交流電流源的電流輸出范圍和頻率范圍要求也越來(lái)越高，其實(shí)現(xiàn)方法不斷地被改進(jìn)。在上述應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵的問(wèn)題是如何提高輸出的交流電流的精度、效率和穩(wěn)定度，減小波形失真。為達(dá)到上述指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于XMEGA的正弦交流電流源。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　基于XMEGA的交流電流源采用Atmel公司的XMEGA單片機(jī)系列中的ATxmega128A1芯片作為微控制器，其具有128 KB閃存、12位的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器等豐富的片上資源。其中A/D轉(zhuǎn)換器具有過(guò)采樣的硬件支持，無(wú)需額外增加成本，即可將其分辨率提高到16 bit[3]。

　　該系統(tǒng)主要由控制與處理模塊、正弦信號(hào)發(fā)生器、程控放大器、壓控恒流源電路、檢測(cè)電路和無(wú)線通信電路等模塊構(gòu)成。在某些特殊的場(chǎng)合需要對(duì)電流源進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，為此設(shè)計(jì)了上位機(jī)和無(wú)線通信模塊電路，根據(jù)需要可通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)距離對(duì)交流電流源進(jìn)行控制，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。采用ATxmega128A1芯片組成微控制器的最小系統(tǒng)，利用其控制正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率、相位及幅度可調(diào)的正弦波，經(jīng)過(guò)程控增益放大電路輸出到壓控恒流源電路，壓控恒流源電路根據(jù)正弦波幅度的大小來(lái)產(chǎn)生交流電流源[4]。當(dāng)負(fù)載變化或其他因素引起輸出電流變化時(shí)，微控制器會(huì)控制A/D轉(zhuǎn)換器從取樣電阻和有效值檢測(cè)電路上采集到變化的電壓信號(hào)并進(jìn)行分析處理，然后控制D/A轉(zhuǎn)換器和正弦信號(hào)發(fā)生器電路，完成對(duì)輸出電流信號(hào)的調(diào)整與控制，從而穩(wěn)定電流的輸出。該設(shè)計(jì)方案具有性能可靠、開(kāi)發(fā)周期短、波形失真度小等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件電路由正弦信號(hào)發(fā)生器、程控放大器、壓控恒流源電路、有效值檢測(cè)電路、無(wú)線通信電路、人機(jī)接口電路和微控制器最小系統(tǒng)組成。

　　2.1 正弦信號(hào)發(fā)生器和程控放大器

　　正弦信號(hào)發(fā)生器作用是產(chǎn)生交流電流源所需的頻率、相位和幅度可調(diào)的正弦信號(hào)。采用ADI公司生產(chǎn)的DDS芯片AD9832來(lái)產(chǎn)生正弦信號(hào)。它的最高時(shí)鐘頻率可達(dá)25 MHz，根據(jù)采樣定理，理論上可輸出最高頻率為12.5 MHz的正弦波。其內(nèi)部集成有兩個(gè)頻率寄存器（FREQ0、FREQ1）、4個(gè)相位寄存器（PHASE0~PHASE3）和10位DAC的參考電壓輸入端REFIN[5]，微控制器可通過(guò)其數(shù)據(jù)總線和控制總線給頻率寄存器和相位寄存器送入相應(yīng)的頻率控制字和相位控制字，進(jìn)而改變正弦信號(hào)的頻率和相位，可通過(guò)改變其參考電壓輸入端的基準(zhǔn)電壓來(lái)調(diào)整正弦信號(hào)的輸出幅度。AD9832與微控制器電路框圖如圖2所示。

　　由于正弦信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)幅度較小，無(wú)法滿足后級(jí)壓控恒流源電路的需求，為此采用低失調(diào)電壓、連續(xù)可變電壓控制增益放大器VCA810來(lái)調(diào)整正弦信號(hào)的幅度，以滿足后級(jí)電路的要求。其電路框圖如圖3所示，放大器的前置電路選用電壓反饋運(yùn)放OPA690，以提高帶寬和輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的阻抗匹配。VCA810的Vc腳與微控制器內(nèi)部集成的D/A輸出端相連，通過(guò)微控制器給D/A發(fā)送增益控制字來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)。信號(hào)調(diào)理電路由高速寬帶運(yùn)放OPA820、電容網(wǎng)絡(luò)和RC低通濾波器組成，其作用是濾除前級(jí)電路帶來(lái)的直流分量和高頻分量，并對(duì)正弦信號(hào)幅度進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅敵鰸M足壓控恒流源電路需要的正弦信號(hào)。

　　2.2 壓控恒流源電路

　　壓控恒流源電路的作用是通過(guò)改變電壓的大小來(lái)控制輸出的電流, 它的性能決定了交流電流源的性能。由功率運(yùn)放組成的壓控恒流源根據(jù)負(fù)載是否接地可分為浮動(dòng)負(fù)載電流源和接地負(fù)載電流源。接地負(fù)載電流源具有很好的穩(wěn)定性，但要求其電路中的輸入電阻和反饋電阻必須嚴(yán)格匹配；浮動(dòng)負(fù)載的電流源具有較高的控制精度和較低的失真度，但負(fù)載對(duì)電路的穩(wěn)定性影響較大，其可通過(guò)截止率(Rate of Closure)技術(shù)來(lái)使電路穩(wěn)定[6-7]。通過(guò)對(duì)這兩種電流源電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析，權(quán)衡利弊選擇浮動(dòng)負(fù)載電流源電路，功率運(yùn)放選用TI公司的OPA549，其連續(xù)輸出電流可達(dá)8 A，峰值電流可達(dá)10 A，增益帶寬積為900 kHz。取樣電阻選擇大功率錳銅材料制成的精密電阻。由功率運(yùn)放OPA549和取樣電阻Rs組成的壓控恒流源電路框圖如圖4所示。

　　2.3 有效值檢測(cè)電路

　　有效值檢測(cè)電路的作用是從取樣電阻獲取與負(fù)載電流成正比的電壓信號(hào)，并送入微控制器的內(nèi)部A/D。當(dāng)外界因素引起電流輸出值與設(shè)定值不一致時(shí)，微控制器會(huì)從A/D獲取采樣值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較分析，然后給D/A輸出控制信號(hào)對(duì)偏差值進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。有效值轉(zhuǎn)換器選用ADI公司的AD637，其具有精度和準(zhǔn)確度高、帶寬和動(dòng)態(tài)范圍寬等特點(diǎn)[8]。有效值檢測(cè)電路框圖如圖5所示。

　　2.4 微處理器系統(tǒng)

　　微處理器系統(tǒng)包括內(nèi)部集成有A/D和D/A的ATxmega128A1微控制器、液晶顯示模塊和鍵盤(pán)模塊。微控制器是整個(gè)系統(tǒng)控制的核心，承擔(dān)與各個(gè)模塊電路之間的數(shù)據(jù)傳輸、處理與控制任務(wù)，主要包括：系統(tǒng)初始化、按鍵掃描與處理、正弦信號(hào)的產(chǎn)生與控制、可控增益參數(shù)的選擇與控制、交流電流的輸出控制、電流的采樣與控制以及各項(xiàng)參數(shù)的顯示等。

　　2.5 無(wú)線通信電路

　　無(wú)線通信電路是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和交流電流源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換的電路。由于在某些特殊的場(chǎng)合需要對(duì)交流電流源進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，因此采用TI公司生產(chǎn)的射頻收發(fā)芯片CC1101構(gòu)成無(wú)線通信模塊，其與微控制器的電路連接框圖如圖6所示[9]。天線匹配電路由電容和電感等器件構(gòu)成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括正弦信號(hào)發(fā)生器程序的設(shè)計(jì)、A/D采集程序的設(shè)計(jì)、D/A程序的設(shè)計(jì)、按鍵掃描程序的設(shè)計(jì)、TFT 液晶屏顯示程序的設(shè)計(jì)以及無(wú)線通信程序的設(shè)計(jì)，主程序的簡(jiǎn)要流程圖如圖7所示。系統(tǒng)的工作流程簡(jiǎn)要描述為：系統(tǒng)開(kāi)始工作后，微控制器對(duì)其內(nèi)部資源和外圍電路模塊以及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，然后由按鍵選擇進(jìn)入電流源功能界面，用戶(hù)根據(jù)需要進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置，使系統(tǒng)輸出預(yù)置的電流，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采集取樣電阻的電壓值，由微控制器將其與設(shè)定值進(jìn)行比較、分析、處理和控制，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。另外，微控制器通過(guò)中斷是否觸發(fā)來(lái)查詢(xún)無(wú)線通信模塊以檢查上位機(jī)是否發(fā)來(lái)控制和數(shù)據(jù)傳輸命令，從而完成與上位機(jī)之間的通信。

4 系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析

　　在電流源輸出端加入負(fù)載，通過(guò)按鍵設(shè)置電流源的各項(xiàng)參數(shù)，采用GDS-1102A數(shù)字存儲(chǔ)示波器、SS7200通用智能計(jì)數(shù)器、ESCORT3146A萬(wàn)用表和AS2294D雙通道交流毫伏表對(duì)輸出的交流電流源的波形、頻率和負(fù)載上的有效值電壓進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析與計(jì)算，得到部分參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表1～表3所示。

　　測(cè)試結(jié)果表明，該正弦交流電流源的頻率輸出范圍為1 Hz～60 kHz，電流有效值輸出范圍為10 mA～6 A，具有參數(shù)精度高、波形失真小、輸出電流穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

　　交流電流源的誤差產(chǎn)生原因主要來(lái)源于：DAC與ADC的轉(zhuǎn)換誤差、取樣電阻本身的誤差、功率運(yùn)放的非線性誤差及溫度特性引起的誤差。因此，正弦交流電流源系統(tǒng)還需要進(jìn)一步改進(jìn)電壓控制電流源電路和提高DAC和ADC的轉(zhuǎn)換精度，進(jìn)而提高電流源的精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文根據(jù)植物種苗磁電場(chǎng)復(fù)合誘導(dǎo)繁育控制系統(tǒng)項(xiàng)目的需求，采用軟件與硬件結(jié)合的方式，選用DDS芯片產(chǎn)生正弦交流電流源所需的正弦信號(hào)，并結(jié)合ATxmega128A1微控制器豐富的硬件資源，輔以必要的外圍電路，完成了基于XMEGA的正弦交流電流源的研制、調(diào)試與測(cè)試工作，并將其應(yīng)用于植物種苗磁電場(chǎng)復(fù)合誘導(dǎo)繁育控制系統(tǒng)項(xiàng)目中。運(yùn)行結(jié)果表明，該交流電流源具有輸出電流穩(wěn)定、波形失真度小、可靠性高等眾多優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)電流穩(wěn)定性和可靠性要求較高的場(chǎng)合，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景。

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