基于增量式PID控制的数控恒流源

摘要：数控恒流源在计量、半导体、传感器等领域得到广泛应用，针对目前市场上大部分恒流源产品精度和智能化水平偏低等问题，提出了一种增量式PID控制的数控恒流源设计方法。该系统通过单片机对恒流源模块的输出进行采样，采用增量式P1D控制算法进行数值处理。并通过Matlab仿真与传统PID控制算法进行对比。实验结果表明其具有分辨率高、纹波小、高精度的特性。
关键词：单片机；恒流源模块；场效应管；增量式PID控制

0 引言
随着半导体集成技术的发展，恒流源的研究已经入崭新的一个阶段。在一些电真空器件中，如示波器，功率发射管等由于通电瞬间的电流非常大，所以对稳定其工作来说，恒流源显得非常必要。另外如各种标准灯、校验表、自动化仪表和半导体器件参数测量等，恒流源对器件的性能起着重要作用。
恒流源的实质是对电流进行反馈，通过对硬件电路进行供电，从而使电流趋于恒定。在得到电流之后形成反馈，从而建立恒流源。由于恒流源具有的特性，所以具有适合阻性、感性、容性负载的优点。理想的恒流源不会因负载的输出电压、环境温度的变化而变化，并因其内阻无限大，所以可使其电流全部输出。

1 恒流源实现原理
数／模转换输出的值加到运放的LM358正输入端，输出端电位加到场效应管的栅极上，根据场效应管的特性，可使输出电流信号放大若干倍，具体数值根据所选场效应管与外部电路而定。通过分析计算出外部电路的参数，使场效应管工作在放大区，由于此时漏源极电流仅决定于栅源极电压，所以当改变栅源极电压时，源极的电流也随着变化。为排除外部干扰信号的影响，源极电位加往U6-B运放器的正输入端以便滤波。经滤波所产生的信号加入到U6-A的负输入端，使其经过两端的压差放大之后控制场效应管的栅源极电压。当场效应管的漏极电流变大时，源极的电流同样增大，U6-A的反相端电位也变大，这样U6-A两端输入之差变小，所以场效应管的栅极电位也变小，漏极电流随之变小，从而达到恒流的效果。当场效应管的漏极电流变小时，源极的电流变小，U6-A的反相端电位变小，这样U6-A两端输入之差变大，所以场效应管的栅极上的电位变大，从而也达到恒流的效果。恒流源模块如图1所示。

2 系统的方案设计
本文设计的恒流源主要分下面几个模块：单片机控制系统、A／D和D／A转换模块、电源模块、恒流源模块、负载及显示模块。通过对按键的操作实现手动输入，通过D／A转换输入至恒流源模块，再通过A／D转换将数值送入到单片机内。系统框图如图2所示。