基于AVR单片机PWM功能的低成本高精度数控恒流源

　　3 滤波和功放模块

图3 二阶RC低通滤波电路

　　PWM波产生后不能直接用于控制MOSFET，需把其变成能随占空比变化而变化的直流电压。在此，我们选用二阶RC低通无源滤波器，并取得了很好的效果。

　　二阶RC低通无源滤波器的系统函数为：

（3）

　　其中，A为通带增益，Q为品质因素， ω0为截止频率。根据式（1）算出PWM波的频率，取截止频率为30kHz，由式（3）可确定对应的电阻、电容值。

　　由于无源滤波器的负载能力差，信号经过二阶无源滤波网络后衰减比较厉害，需要增加一级功率放大电路。功放电路比较简单，也有经典电路，限于篇幅不再赘述。

　　4 恒流源模块

　　恒流源采用的是压控恒流元件IRF540，它的VGS为20V，ID为33A。截止时，最大漏电流为1μA，导通电阻仅有0.04Ω，图4为IRF540的特性曲线。

图4 IRF540特性曲线

　　由图4可知，当VGS为5V时，可输出电流就可达到30A左右，完全能实现小电压控制大电流的目的。具体应用电路如图5所示。

图5 横流电路
IRF540的G极接PWM波转换后的直流电压，D极接能提供15V/5A电流的电源（可采用开关电源），S极用来接采样电阻和负载。采样电阻应采用温漂系数低、阻值为10mΩ、精度为1%的大功率锰铜丝电阻。当对采样电阻两端信号进行差分后，可得到采样电阻两端的电压值U，而在已知采样电阻阻值情况下，很容易得到流经采样电阻的电流，即I=U/R。由于负载与采样电阻在同一条支路，故流经负载的电流也为I。差分放大电路的放大倍数可根据采样电阻阻值以及ADC的参考电压来选择，图5中要求R1=R3，R2=R4，放大倍数为R4/R3。需要注意的是该电路应该具有很高的输入阻抗，以减少对负载电路的影响。差分信号经ADC口送入单片机进行处理。

　　软件设计

　　由图6可知，整个系统是一个动态的闭环系统。由于PWM初始匹配值设置的大小不同，电流值在开始时可能会跟设定值有较大偏差。随着闭环系统的自我调整，逐渐使输出稳定在设定值上下。系统达到稳定状态的时间以及稳定后电流值波动的幅度，可根据设计要求由软件来调整。

图6 程序流程图

　　实验结果

　　我们对此数控恒流源进行了负载测试，测试结果如下：

　　从表1和表2的实测数据中可以看出，该恒流源在负载为100Ω以内，最大误差仅为2mA，在0～200mA段没有误差，满足了设计要求，达到了较高的精度。

　　如果需要提高200mA段以上的精度，可采用软件补偿的方法实现。即先测量足够多的测试数据，然后采用曲线拟合方法对数据分段进行补偿，详

　　结语

　　本文介绍的基于PWM技术的数控恒流源电路结构简单，成本低，系统稳定可靠，精度高，已经应用于工业生产。如果设计要求更高的恒流值，可以更换更大功率的+15V/I电源，以及更换合适的压控恒流元件。