基于XMEGA的交流电流源的研究与实现*

易　艺，郝建卫，李长俊

(桂林电子科技大学 信息科技学院，广西 桂林541004)

基于XMEGA的交流电流源的研究与实现*

易艺，郝建卫，李长俊

(桂林电子科技大学 信息科技学院，广西 桂林541004)

交流电流源作为一种电源设备，在电子系统中的应用日益增多。随着电子技术的发展，对其电流的输出范围、精度和稳定度等参数提出了更高的要求，为达到这些指标要求，设计了一种以ATxmega128A1芯片作为微控制器的正弦交流电流源。系统具有闭环控制功能，可以根据负载的变化自动调整输出电流，使得输出电流值稳定在设定的参数范围之内。该电流源已应用于植物种苗磁电场复合诱导繁育控制系统中。运行结果表明，该交流电流源具有参数精度高、波形失真度小、控制与调整方便等众多优点，适用于对电流稳定性和可靠性要求较高的场合，具有很高的应用价值和良好的市场前景。

正弦交流电流源；XMEGA；恒流源；闭环控制

0　引言

交流电流源是一种电源设备，当负载在一定范围内变化时，它能保持负载电流不变或变化很小[1]。因其特性而广泛应用于仪器设备中磁场的产生、开关和继电器触点的检测等领域，以及传感器技术、测试仪器等电子设备中[2]。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，对交流电流源的电流输出范围和频率范围要求也越来越高，其实现方法不断地被改进。在上述应用领域和产品设计中，关键的问题是如何提高输出的交流电流的精度、效率和稳定度，减小波形失真。为达到上述指标要求，本文设计了一种基于XMEGA的正弦交流电流源。

1　系统总体设计

基于XMEGA的交流电流源采用Atmel公司的XMEGA单片机系列中的 ATxmega128A1芯片作为微控制器，其具有128 KB闪存、12位的A/D转换器和D/A转换器等丰富的片上资源。其中A/D转换器具有过采样的硬件支持，无需额外增加成本，即可将其分辨率提高到16 bit[3]。

该系统主要由控制与处理模块、正弦信号发生器、程控放大器、压控恒流源电路、检测电路和无线通信电路等模块构成。在某些特殊的场合需要对电流源进行远距离控制，为此设计了上位机和无线通信模块电路，根据需要可通过上位机远距离对交流电流源进行控制，总体设计框图如图1所示。采用 ATxmega128A1芯片组成微控制器的最小系统，利用其控制正弦信号发生器产生频率、相位及幅度可调的正弦波，经过程控增益放大电路输出到压控恒流源电路，压控恒流源电路根据正弦波幅度的大小来产生交流电流源[4]。当负载变化或其他因素引起输出电流变化时，微控制器会控制A/D转换器从取样电阻和有效值检测电路上采集到变化的电压信号并进行分析处理，然后控制D/A转换器和正弦信号发生器电路，完成对输出电流信号的调整与控制，从而稳定电流的输出。该设计方案具有性能可靠、开发周期短、波形失真度小等优点。

图1　系统总体设计框图

2　系统硬件电路设计

系统硬件电路由正弦信号发生器、程控放大器、压控恒流源电路、有效值检测电路、无线通信电路、人机接口电路和微控制器最小系统组成。

2.1正弦信号发生器和程控放大器

正弦信号发生器作用是产生交流电流源所需的频率、相位和幅度可调的正弦信号。采用ADI公司生产的DDS芯片AD9832来产生正弦信号。它的最高时钟频率可达 25 MHz，根据采样定理，理论上可输出最高频率为12.5 MHz的正弦波。其内部集成有两个频率寄存器（FREQ0、FREQ1）、4个相位寄存器（PHASE0～PHASE3）和10位DAC的参考电压输入端REFIN[5]，微控制器可通过其数据总线和控制总线给频率寄存器和相位寄存器送入相应的频率控制字和相位控制字，进而改变正弦信号的频率和相位，可通过改变其参考电压输入端的基准电压来调整正弦信号的输出幅度。AD9832与微控制器电路框图如图2所示。

图2　AD9832与微控制器的电路框图

由于正弦信号发生器输出的正弦信号幅度较小，无法满足后级压控恒流源电路的需求，为此采用低失调电压、连续可变电压控制增益放大器 VCA810来调整正弦信号的幅度，以满足后级电路的要求。其电路框图如图3所示，放大器的前置电路选用电压反馈运放 OPA690，以提高带宽和输入阻抗，实现系统的阻抗匹配。VCA810的Vc脚与微控制器内部集成的D/A输出端相连，通过微控制器给D/A发送增益控制字来调整放大倍数。信号调理电路由高速宽带运放OPA820、电容网络和RC低通滤波器组成，其作用是滤除前级电路带来的直流分量和高频分量，并对正弦信号幅度进行适当的放大，输出满足压控恒流源电路需要的正弦信号。

图3　可控增益放大器和信号调理电路框图

2.2压控恒流源电路

压控恒流源电路的作用是通过改变电压的大小来控制输出的电流,它的性能决定了交流电流源的性能。由功率运放组成的压控恒流源根据负载是否接地可分为浮动负载电流源和接地负载电流源。接地负载电流源具有很好的稳定性，但要求其电路中的输入电阻和反馈电阻必须严格匹配；浮动负载的电流源具有较高的控制精度和较低的失真度，但负载对电路的稳定性影响较大，其可通过截止率(Rate of Closure)技术来使电路稳定[6-7]。通过对这两种电流源电路进行实验研究和分析，权衡利弊选择浮动负载电流源电路，功率运放选用TI公司的OPA549，其连续输出电流可达 8 A，峰值电流可达10 A，增益带宽积为900 kHz。取样电阻选择大功率锰铜材料制成的精密电阻。由功率运放OPA549和取样电阻Rs组成的压控恒流源电路框图如图4所示。

图4　压控恒流源的电路框图

2.3有效值检测电路

有效值检测电路的作用是从取样电阻获取与负载电流成正比的电压信号，并送入微控制器的内部A/D。当外界因素引起电流输出值与设定值不一致时，微控制器会从A/D获取采样值，并与设定值进行比较分析，然后给D/A输出控制信号对偏差值进行补偿，以达到稳定输出电流的目的。有效值转换器选用ADI公司的AD637，其具有精度和准确度高、带宽和动态范围宽等特点[8]。有效值检测电路框图如图5所示。

图5　有效值检测电路框图

2.4微处理器系统

微处理器系统包括内部集成有A/D和D/A的ATxmega128A1微控制器、液晶显示模块和键盘模块。微控制器是整个系统控制的核心，承担与各个模块电路之间的数据传输、处理与控制任务，主要包括：系统初始化、按键扫描与处理、正弦信号的产生与控制、可控增益参数的选择与控制、交流电流的输出控制、电流的采样与控制以及各项参数的显示等。

2.5无线通信电路

无线通信电路是实现上位机和交流电流源进行数据传输与交换的电路。由于在某些特殊的场合需要对交流电流源进行远距离控制，因此采用TI公司生产的射频收发芯片CC1101构成无线通信模块，其与微控制器的电路连接框图如图6所示[9]。天线匹配电路由电容和电感等器件构成。

图6　CC1101与微控制器的电路框图

3　系统软件设计

系统软件设计主要包括正弦信号发生器程序的设计、A/D采集程序的设计、D/A程序的设计、按键扫描程序的设计、TFT液晶屏显示程序的设计以及无线通信程序的设计，主程序的简要流程图如图7所示。系统的工作流程简要描述为：系统开始工作后，微控制器对其内部资源和外围电路模块以及系统参数进行初始化，然后由按键选择进入电流源功能界面，用户根据需要进行各项参数的设置，使系统输出预置的电流，并通过A/D转换器采集取样电阻的电压值，由微控制器将其与设定值进行比较、分析、处理和控制，组成闭环控制系统，以达到稳定输出电流的目的。另外，微控制器通过中断是否触发来查询无线通信模块以检查上位机是否发来控制和数据传输命令，从而完成与上位机之间的通信。

图7　系统软件设计流程图

4　系统测试与误差分析

在电流源输出端加入负载，通过按键设置电流源的各项参数，采用GDS-1102A数字存储示波器、SS7200通用智能计数器、ESCORT3146A万用表和AS2294D双通道交流毫伏表对输出的交流电流源的波形、频率和负载上的有效值电压进行测试，对测试结果进行分析与计算，得到部分参数测量结果如表1～表3所示。

表1　频率测量结果　（Hz）

表2　频率为1 kHz时输出电流的测试(mA)

表3　频率1 kHz时电流源的负载特性测试(mA)

测试结果表明，该正弦交流电流源的频率输出范围为 1 Hz～60 kHz，电流有效值输出范围为 10 mA～6 A，具有参数精度高、波形失真小、输出电流稳定性高等优点。

交流电流源的误差产生原因主要来源于：DAC与ADC的转换误差、取样电阻本身的误差、功率运放的非线性误差及温度特性引起的误差。因此，正弦交流电流源系统还需要进一步改进电压控制电流源电路和提高DAC和ADC的转换精度，进而提高电流源的精度。

5　结束语

本文根据植物种苗磁电场复合诱导繁育控制系统项目的需求，采用软件与硬件结合的方式，选用DDS芯片产生正弦交流电流源所需的正弦信号，并结合ATxmega128A1微控制器丰富的硬件资源，辅以必要的外围电路，完成了基于XMEGA的正弦交流电流源的研制、调试与测试工作，并将其应用于植物种苗磁电场复合诱导繁育控制系统项目中。运行结果表明，该交流电流源具有输出电流稳定、波形失真度小、可靠性高等众多优点，适用于对电流稳定性和可靠性要求较高的场合，具有很高的应用价值和良好的市场前景。

[1]方志成.介绍一种交流恒电流源电路[J].电子技术，1982 (1)：39-40.

[2]吴茂成.高精度宽范围恒流源设计[J].电测与仪表，2011，48(1)：64-66.

[3]洪利，吕敬伟，杨强生，等.AVR XMEGA高性能单片机开发及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[4]谢志远，贡振岗，杨星，等.一种高稳定数控交流恒流源的设计[J].电测与仪表，2013，50(3)：102-106.

[5]施晨骏，沈海根，钮佳隽.采用 DDS技术的RFID阅读器的本振设计[J].电子技术应用，2008，34(5)：62-64.

[6]王学纪.功率运算放大器在压控电流源中的应用[J].国外电子元器件，1998(9)：19-21.

[7]李婷婷，李洪波.数控大功率精密恒流源设计[J].通信电源技术，2006，23(5)：35-37.

[8]张青春.基于 STC89C52的高精度宽频带数显毫伏表的设计[J].电子技术应用，2012，38(7)：84-86.

[9]胡胜，李明，杨雷.智能移动预警网络装置设计[J].计算机测量与控制，2013，21(3)：785-787.

Research and implementation of the AC current source based on XMEGA

Yi Yi，Hao Jianwei，Li Changjun
(Institute of Information Technology，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China)

As a kind of power equipment,AC current source is becoming widely used in the application of electronic systems. With the development of electronic technology,a higher request of parameters is put forward,such as the output range,precision and stability of the current.In order to achieve these requirements,a sinusoidal AC current source with ATxmega128A1 chip as micro controller is designed.With the closed-loop control function,it can automatically adjust the output current to provide stable output current value within the range of parameter settings,according to the variation of load.It has been applied to the plant seedlings magnetoelectric compound induction breeding control system.The operation results show that the system has practical advantages including high parameter precision,small waveform distortion,convenient control and adjustment.It is applicable to higher requirement of current stability and reliability,so it has very high application value and good market prospects.

sinusoidal AC current source；XMEGA；constant current source；closed-loop control

TP368.1；TM919

A

0258-7998(2015)02-0139-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.02.034

桂林市科学研究与技术开发计划资金资助项目(20120113-7)

（2014-09-22）

易艺（1983-），男，实验师，主要研究方向：仪器仪表、测量与控制技术。

郝建卫（1956-），通信作者，男，高级实验师，主要研究主向：电视技术、电源技术，E-mail：hjw@guet.edu.cn。

李长俊（1959-），男，教授，主要研究方向：测控技术与仪器。