馬秋芳，潘 浩，王微微

（1.青島黃海學(xué)院 電信與商務(wù)學(xué)院，青島 266427；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，青島 266580）

作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，4～20 mA直流電流源被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)論是控制器、變頻器、調(diào)節(jié)閥等自動(dòng)化儀表，還是DCS、PLC等控制系統(tǒng)均支持標(biāo)準(zhǔn)電流輸入[1]。為測(cè)試設(shè)備，往往需要低功耗儀表電流源。目前此類(lèi)儀表大多功能復(fù)雜、功耗偏大、便攜性差，負(fù)載能力在 500～750 Ω，且不能調(diào)整，給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試帶來(lái)不便。

本文采用專(zhuān)用電流源芯片AD421實(shí)現(xiàn)高精度電流輸出，通過(guò)負(fù)載監(jiān)控、DC-DC升壓電源控制與電壓調(diào)整實(shí)現(xiàn)電流源的低功耗運(yùn)行。儀器已成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥、采集卡和PLC等系統(tǒng)的調(diào)試，且功耗低、運(yùn)行穩(wěn)定。

1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1，系統(tǒng)由人機(jī)接口和電流輸出兩部分組成。人機(jī)接口包括MSP430F235單片機(jī)、液晶、鍵盤(pán)等；電流輸出包括DC-DC升壓電路、閉環(huán)電流輸出和電流反饋等部分。工作過(guò)程是：當(dāng)環(huán)路閉合時(shí)，單片機(jī)通過(guò)電源控制啟動(dòng)DC-DC升壓電源，由閉環(huán)電流輸出電路產(chǎn)生4～20 mA電流輸出。電流反饋電路將電流反饋到單片機(jī)，由運(yùn)放處理后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，分析實(shí)際電流和負(fù)載，再根據(jù)需要調(diào)整DC-DC的功率。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System construction diagram

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 4～20 mA閉環(huán)電流輸出電路

1）單片機(jī)

MSP430F235單片機(jī)集成度高、功耗低，電流源采用單片機(jī)自帶的8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器完成電池電壓、輸出電流和負(fù)載監(jiān)控，通過(guò)16位定時(shí)器定時(shí)中斷、管腳中斷和多種時(shí)鐘模式配合實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。

2）液晶與鍵盤(pán)

選用LCM141低功耗雙排段式液晶及獨(dú)立鍵盤(pán)，按鍵通過(guò)上拉電阻接入單片機(jī)，采用管腳中斷方式喚醒單片機(jī)完成鍵值處理。

3）AD421電流源電路

數(shù)控直流電流源通常由D/A轉(zhuǎn)換器和V/I配合實(shí)現(xiàn)電流輸出，或采用專(zhuān)用電流環(huán)芯片組成[2]。后者穩(wěn)定性好、功耗小。

如圖2，AD421是專(zhuān)為儀表設(shè)計(jì)的高精度4～20 mA電流環(huán)輸出式數(shù)模轉(zhuǎn)換器，和微控制器間經(jīng)由SPI接口通訊[3]。AD421內(nèi)部由16位D/A轉(zhuǎn)換、閉環(huán)電流放大電路組成。當(dāng)加在AD421上的電源V12通過(guò)LOOPRTN，經(jīng)過(guò)RL、R1返回到電源地GND時(shí)，芯片在內(nèi)部穩(wěn)壓電路、運(yùn)放A1反饋的綜合作用下，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q1，在芯片VCC和COM端間形成3.3 V穩(wěn)壓輸出。三極管Q2起到擴(kuò)流作用，用來(lái)降低Q1的功耗。單片機(jī)的P2.0～P2.2通過(guò)光電耦合器隔離，經(jīng)SPI接口向芯片的DATA、CLK和LATCH端發(fā)送數(shù)據(jù)，在 AD421內(nèi)完成16位D/A轉(zhuǎn)換，再經(jīng)內(nèi)部由A2構(gòu)成的V/I轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的電流輸出，關(guān)系為數(shù)字量0～65535對(duì)應(yīng)4～20 mA。

圖2 4～20 mA電流輸出及反饋電路Fig.2 4～20 mA current output and feedback circuit

2.2 電流反饋電路

電流反饋電路主要用于監(jiān)控輸出電流及負(fù)載變化情況[4]。 如圖 2，電路由 R1、R10、R11、R12及低功耗運(yùn)放U1組成。R1為輸出電流取樣電阻，轉(zhuǎn)換電壓經(jīng)放大后進(jìn)入單片機(jī)A/D管腳P6.1（A1），反饋電壓：

為提高反饋電流精度，在電流源達(dá)到最大輸出20 mA時(shí)，Vo應(yīng)盡可能接近A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。MSP430F235內(nèi)部集成了2.5 V和1.5 V兩個(gè)基準(zhǔn)電壓源，選擇后者反饋電路的功耗更低。同時(shí)，由于反饋電阻R1的引入，AD421環(huán)路中的實(shí)際負(fù)載為RL+R1，R1的取值不應(yīng)影響電流源的負(fù)載能力。因此，結(jié)合電阻標(biāo)準(zhǔn)，最終確定R1=1 Ω，R12=91 kΩ，R11=1.3 kΩ，對(duì)應(yīng)的電壓范圍為0～1.42 V。

2.3 電源電路

AD421屬于兩線制閉環(huán)電流源，可以產(chǎn)生3.3 V輸出，支持4 mA以下的電流輸出，能夠用于驅(qū)動(dòng)單片機(jī)及傳感器電路，但弊端在于當(dāng)電流源環(huán)路斷開(kāi)時(shí)，所有電路將停止工作，不能滿足要求。本儀器由4.8 V充電電池供電，通過(guò)3.3 V LDO降壓芯片和DC-DC升壓電路分別為單片機(jī)和AD421供電。其中DC-DC部分包括DC-DC升壓、電源電壓調(diào)整和電源通斷控制3部分。

1）DC-DC 升壓

電流輸出部分的最低電源電壓V12和負(fù)載電阻RL有關(guān)，若要求負(fù)載500 Ω，則V12至少應(yīng)在14VDC以上，功率不低于280 mW，同時(shí)還應(yīng)具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的功耗。升壓電路一般由專(zhuān)門(mén)升壓芯片組成，如LM2577、MC34063等方案[5]。由于電流源輸出功率要求低，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮電源空載和滿載時(shí)的功耗。由MC34063構(gòu)成的升壓電源效率一般在80%左右，但空載時(shí)功耗低。如圖3為典型升壓電路，電源輸出經(jīng)過(guò)R23、R24分壓取樣后，由芯片的電壓負(fù)反饋系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，直到形成穩(wěn)定的電壓輸出為止。電源輸出電壓為

電源的輸出功率、效率及紋波大小主要由 L21、C21、C22、C23等元件決定，C21決定轉(zhuǎn)換效率，數(shù)值越小，電源效率越高，但紋波越大。根據(jù)芯片要求，內(nèi)部電路振蕩頻率應(yīng)在 0～100 kHz內(nèi)，這里選擇C21為 470 nF，對(duì)應(yīng)振蕩頻率70.5 kHz。為使紋波低于10 mV，C22的取值應(yīng)不低于 220 μF。

2）DC-DC輸出電壓調(diào)整

如圖2，AD421的電源電壓V12由DC-DC輸出Vout提供。 VCC驅(qū)動(dòng) Q2的基極，Q2導(dǎo)通，當(dāng) RL達(dá)到最大時(shí)，Vce＞Vbe，V12+和 COM 間的電壓為 VCC，因此 Vout應(yīng)滿足：

式中：Vcc為AD421的Vcc和COM間的電壓3.3 V；V40為AD421內(nèi)部40 Ω電阻上的壓降 （芯片輸出20 mA時(shí)達(dá)到最大，為0.8 V）?？梢?jiàn)，當(dāng)RL為500 Ω時(shí)，Vout應(yīng)不低于14.12 V。實(shí)際上AD421采用內(nèi)部1.21 V電壓基準(zhǔn)和電阻網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)運(yùn)放A1輸出DRIVE端控制Q1，實(shí)現(xiàn)Vcc穩(wěn)壓輸出。當(dāng)運(yùn)放輸入端有微小電壓差異時(shí)，仍能正常工作。經(jīng)測(cè)試，在電流源達(dá)到最大負(fù)載時(shí)，AD421的LOOP電路輸出Vcc和COM端間的最低穩(wěn)壓輸出約為2.65 V，因此Vout應(yīng)不低于 20RLmax+3.47 V?？紤]到溫度影響，為留有余量，要求 Vout≥（IoRL+4.0），結(jié)合 RL的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)其在0.2 k～1 kΩ變化時(shí)，Vout應(yīng)能在8～24 V內(nèi)調(diào)整。

由式（2），固定R23或R24，另一個(gè)通過(guò)數(shù)字電位器改變阻值即可實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓的調(diào)整。若R24為可變電阻，電壓調(diào)整雖具有較好的線性度，但必須承受24 V以上的電壓，且電位器功耗也會(huì)增加。目前數(shù)字電位器大多工作電壓不超過(guò)5 V，顯然無(wú)法滿足要求。如圖3所示，本設(shè)計(jì)取R24為27 kΩ，則R23應(yīng)在（1.48～5）kΩ 內(nèi)變化。通過(guò)對(duì)比選擇 256級(jí)、5 kΩ數(shù)字可變電阻器MCP4562來(lái)調(diào)整R23。其工作電壓為（2.7～5.5）V，靜態(tài)電流為 2.5 μA，采用 I2C 接口連接。為防止由于操作失誤或干擾等原因造成MCP4562觸頭錯(cuò)位，引起較高的輸出電壓，在電路中串入1 kΩ保護(hù)電阻R25，此時(shí)電阻器的數(shù)字量應(yīng)為 204～24。

圖3 DC-DC升壓及電壓調(diào)整電路Fig.3 DC-DC booster and voltage regulation circuit

3）DC-DC電源通斷控制

由2.2知，為實(shí)現(xiàn)低功耗，只有在需要輸出電流時(shí)開(kāi)啟DC-DC電源，本設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)電源通斷控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

如圖4，程序主要考慮低功耗要求，使用32 kHz低頻晶振作為單片機(jī)主時(shí)鐘ACK，并分配給輔助時(shí)鐘SMLK，在初始化后進(jìn)行休眠，等待鍵盤(pán)操作。當(dāng)要求輸出電流時(shí)，打開(kāi)DC-DC電源并調(diào)整為最高電壓進(jìn)行接入負(fù)載測(cè)試。通過(guò)電流反饋電路分析實(shí)際負(fù)載大小，進(jìn)而通過(guò)MCP4562調(diào)整AD421的供電電壓。同時(shí)根據(jù)反饋電流大小判斷斷路、負(fù)載超限等異常，給出相應(yīng)提示。

圖4 主要程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在室溫條件下，從電流源的輸出精度、功耗、負(fù)載能力等方面測(cè)試了電流源的綜合性能。

由表1，電流源的最大絕對(duì)誤差為0.0004 mA，最大相對(duì)誤差0.0075%，達(dá)到16位精度要求；由表2知，最大負(fù)載可在（220～1020）Ω內(nèi)變動(dòng)，實(shí)際負(fù)載越小，電流源的效率越高。

表1 電流輸出精度測(cè)試Tab.1 Current source precision tests

表2 負(fù)載能力及電源測(cè)試Tab.2 Load capacity and power tests

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于MSP430F235單片機(jī)和AD421芯片設(shè)計(jì)了便攜4～20 mA智能電流源。通過(guò)電流反饋電路檢測(cè)電流源的實(shí)際負(fù)載，通過(guò)MCP4562數(shù)字電位器按需調(diào)整DC-DC升壓電源的輸出，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的低功耗運(yùn)行和負(fù)載能力的自動(dòng)調(diào)整。目前該儀表已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)4～20 mA直流輸出場(chǎng)合，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

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