文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)02-0139-03
0 引言
交流電流源是一種電源設備，當負載在一定范圍內變化時，它能保持負載電流不變或變化很小[1]。因其特性而廣泛應用于儀器設備中磁場的產生、開關和繼電器觸點的檢測等領域，以及傳感器技術、測試儀器等電子設備中[2]。隨著電子技術和計算機技術的迅速發展，對交流電流源的電流輸出范圍和頻率范圍要求也越來越高，其實現方法不斷地被改進。在上述應用領域和產品設計中，關鍵的問題是如何提高輸出的交流電流的精度、效率和穩定度，減小波形失真。為達到上述指標要求，本文設計了一種基于XMEGA的正弦交流電流源。
1 系統總體設計
基于XMEGA的交流電流源采用Atmel公司的XMEGA單片機系列中的ATxmega128A1芯片作為微控制器，其具有128 KB閃存、12位的A/D轉換器和D/A轉換器等豐富的片上資源。其中A/D轉換器具有過采樣的硬件支持，無需額外增加成本，即可將其分辨率提高到16 bit[3]。
該系統主要由控制與處理模塊、正弦信號發生器、程控放大器、壓控恒流源電路、檢測電路和無線通信電路等模塊構成。在某些特殊的場合需要對電流源進行遠距離控制，為此設計了上位機和無線通信模塊電路，根據需要可通過上位機遠距離對交流電流源進行控制，總體設計框圖如圖1所示。采用ATxmega128A1芯片組成微控制器的最小系統，利用其控制正弦信號發生器產生頻率、相位及幅度可調的正弦波，經過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正弦波幅度的大小來產生交流電流源[4]。當負載變化或其他因素引起輸出電流變化時，微控制器會控制A/D轉換器從取樣電阻和有效值檢測電路上采集到變化的電壓信號并進行分析處理，然后控制D/A轉換器和正弦信號發生器電路，完成對輸出電流信號的調整與控制，從而穩定電流的輸出。該設計方案具有性能可靠、開發周期短、波形失真度小等優點。
2 系統硬件電路設計
系統硬件電路由正弦信號發生器、程控放大器、壓控恒流源電路、有效值檢測電路、無線通信電路、人機接口電路和微控制器最小系統組成。
2.1 正弦信號發生器和程控放大器
正弦信號發生器作用是產生交流電流源所需的頻率、相位和幅度可調的正弦信號。采用ADI公司生產的DDS芯片AD9832來產生正弦信號。它的最高時鐘頻率可達25 MHz，根據采樣定理，理論上可輸出最高頻率為12.5 MHz的正弦波。其內部集成有兩個頻率寄存器（FREQ0、FREQ1）、4個相位寄存器（PHASE0~PHASE3）和10位DAC的參考電壓輸入端REFIN[5]，微控制器可通過其數據總線和控制總線給頻率寄存器和相位寄存器送入相應的頻率控制字和相位控制字，進而改變正弦信號的頻率和相位，可通過改變其參考電壓輸入端的基準電壓來調整正弦信號的輸出幅度。AD9832與微控制器電路框圖如圖2所示。
由于正弦信號發生器輸出的正弦信號幅度較小，無法滿足后級壓控恒流源電路的需求，為此采用低失調電壓、連續可變電壓控制增益放大器VCA810來調整正弦信號的幅度，以滿足后級電路的要求。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放OPA690，以提高帶寬和輸入阻抗，實現系統的阻抗匹配。VCA810的Vc腳與微控制器內部集成的D/A輸出端相連，通過微控制器給D/A發送增益控制字來調整放大倍數。信號調理電路由高速寬帶運放OPA820、電容網絡和RC低通濾波器組成，其作用是濾除前級電路帶來的直流分量和高頻分量，并對正弦信號幅度進行適當的放大，輸出滿足壓控恒流源電路需要的正弦信號。
2.2 壓控恒流源電路
壓控恒流源電路的作用是通過改變電壓的大小來控制輸出的電流, 它的性能決定了交流電流源的性能。由功率運放組成的壓控恒流源根據負載是否接地可分為浮動負載電流源和接地負載電流源。接地負載電流源具有很好的穩定性，但要求其電路中的輸入電阻和反饋電阻必須嚴格匹配；浮動負載的電流源具有較高的控制精度和較低的失真度，但負載對電路的穩定性影響較大，其可通過截止率(Rate of Closure)技術來使電路穩定[6-7]。通過對這兩種電流源電路進行實驗研究和分析，權衡利弊選擇浮動負載電流源電路，功率運放選用TI公司的OPA549，其連續輸出電流可達8 A，峰值電流可達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 有效值檢測電路
有效值檢測電路的作用是從取樣電阻獲取與負載電流成正比的電壓信號，并送入微控制器的內部A/D。當外界因素引起電流輸出值與設定值不一致時，微控制器會從A/D獲取采樣值，并與設定值進行比較分析，然后給D/A輸出控制信號對偏差值進行補償，以達到穩定輸出電流的目的。有效值轉換器選用ADI公司的AD637，其具有精度和準確度高、帶寬和動態范圍寬等特點[8]。有效值檢測電路框圖如圖5所示。
2.4 微處理器系統
微處理器系統包括內部集成有A/D和D/A的ATxmega128A1微控制器、液晶顯示模塊和鍵盤模塊。微控制器是整個系統控制的核心，承擔與各個模塊電路之間的數據傳輸、處理與控制任務，主要包括：系統初始化、按鍵掃描與處理、正弦信號的產生與控制、可控增益參數的選擇與控制、交流電流的輸出控制、電流的采樣與控制以及各項參數的顯示等。
2.5 無線通信電路
無線通信電路是實現上位機和交流電流源進行數據傳輸與交換的電路。由于在某些特殊的場合需要對交流電流源進行遠距離控制，因此采用TI公司生產的射頻收發芯片CC1101構成無線通信模塊，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成。
3 系統軟件設計
系統軟件設計主要包括正弦信號發生器程序的設計、A/D采集程序的設計、D/A程序的設計、按鍵掃描程序的設計、TFT 液晶屏顯示程序的設計以及無線通信程序的設計，主程序的簡要流程圖如圖7所示。系統的工作流程簡要描述為：系統開始工作后，微控制器對其內部資源和外圍電路模塊以及系統參數進行初始化，然后由按鍵選擇進入電流源功能界面，用戶根據需要進行各項參數的設置，使系統輸出預置的電流，并通過A/D轉換器采集取樣電阻的電壓值，由微控制器將其與設定值進行比較、分析、處理和控制，組成閉環控制系統，以達到穩定輸出電流的目的。另外，微控制器通過中斷是否觸發來查詢無線通信模塊以檢查上位機是否發來控制和數據傳輸命令，從而完成與上位機之間的通信。
4 系統測試與誤差分析
在電流源輸出端加入負載，通過按鍵設置電流源的各項參數，采用GDS-1102A數字存儲示波器、SS7200通用智能計數器、ESCORT3146A萬用表和AS2294D雙通道交流毫伏表對輸出的交流電流源的波形、頻率和負載上的有效值電壓進行測試，對測試結果進行分析與計算，得到部分參數測量結果如表1～表3所示。
測試結果表明，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，具有參數精度高、波形失真小、輸出電流穩定性高等優點。
交流電流源的誤差產生原因主要來源于：DAC與ADC的轉換誤差、取樣電阻本身的誤差、功率運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還需要進一步改進電壓控制電流源電路和提高DAC和ADC的轉換精度，進而提高電流源的精度。
5 結束語
本文根據植物種苗磁電場復合誘導繁育控制系統項目的需求，采用軟件與硬件結合的方式，選用DDS芯片產生正弦交流電流源所需的正弦信號，并結合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、調試與測試工作，并將其應用于植物種苗磁電場復合誘導繁育控制系統項目中。運行結果表明，該交流電流源具有輸出電流穩定、波形失真度小、可靠性高等眾多優點，適用于對電流穩定性和可靠性要求較高的場合，具有很高的應用價值和良好的市場前景。
參考文獻
[1] 方志成.介紹一種交流恒電流源電路[J].電子技術，1982(1)：39-40.
[2] 吳茂成.高精度寬范圍恒流源設計[J].電測與儀表，2011，48(1)：64-66.
[3] 洪利，呂敬偉，楊強生，等.AVR XMEGA高性能單片機開發及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.
[4] 謝志遠，貢振崗，楊星，等.一種高穩定數控交流恒流源的設計[J].電測與儀表，2013，50(3)：102-106.
[5] 施晨駿，沈海根，鈕佳雋.采用DDS技術的RFID閱讀器的本振設計[J].電子技術應用，2008，34(5)：62-64.
[6] 王學紀.功率運算放大器在壓控電流源中的應用[J].國外電子元器件，1998(9)：19-21.
[7] 李婷婷，李洪波.數控大功率精密恒流源設計[J].通信電源技術，2006，23(5)：35-37.
[8] 張青春.基于STC89C52的高精度寬頻帶數顯毫伏表的設計[J].電子技術應用，2012，38(7)：84-86.
[9] 胡勝，李明，楊雷.智能移動預警網絡裝置設計[J].計算機測量與控制，2013，21(3)：785-787.