程控恒流源的构成和工作原理

程控恒流源电路由压控电路、扩流电路和数控电路组成，结构如图1所示。

图1 程控恒流源电路的组成框图

本恒流源电路采用STC89C52控制D/A转换电路产生电压控制信号，通过1个精密线性压控电流源和扩流电路输出所需的电流值；取样电路采样后经A/D转换由数控电路读出，然后送到显示控制电路显示；同时，取样电路给压控电流源提供电流负反馈以进一步稳定电流输出。

程控恒流源电路设计

1 数控电路的设计

数控电路采用由STC89C52构成的单片机最小系统来负责对D/A、A/D的控制，以及按键响应和LED的显示。模块内的数字电路和模拟电路各自采用独立的稳压电路供电，以减小数字电路高频峰值电流对模拟电路的影响，可以很大程度上降低D/A输出的纹波电压。

本设计中的D/A转换电路采用MAX531，使用其内部自带的2.048V基准源，D/A转换的分辨率为0.5mV，加在1Ω的取样电阻上就可以分辨出0.5mA的电流（步进0.5mA）。

A/D转换电路采用MAX1241，与MAX531使用同一基准源。A/D转换的分辨率为0.5mV，取样电阻为1Ω时，测量电流的分辨率为0.5mA（可根据步进和测量精度的实际要求，选择D/A、A/D转换器的位数和参考电压）。

由于要实现人机对话，至少要有10个数字按键和2个步进按键，考虑到还要实现其他的功能键，选用16按键的键盘来完成整个系统控制最合适。显示部分采用8位LED数码管，其价格便宜，易于实现。考虑到单片机的I/O端口有限，为了充分优化系统，采用外部扩展1片8155来实现键盘接口与显示功能。

2 压控电流源的设计

压控电流源的负反馈放大部分有1个精密运放构成的同相放大器，引入深度的电流负反馈，从而稳定输出到负载的电流，如图2所示。运放正常工作于同相放大状态时，由运放虚地的原理可知取样电阻上的电压：U2=Uin，因此I2=U2/R2=Uin/R2。因为采用高输入阻抗的放大器，反相输入端的电流近似为零，负载电流IL=I2=Uin/R2。只要扩流电路性能好，输出电流的精度完全取决于取样电阻的精度。

图2 压控电流源电路原理图

3 扩流电路的设计

扩流电路选用S类功率放大器，原理如图3所示。其特点是用电压控制放大器与电流驱动放大器构成电桥，使电压放大器工作在无负载的状态（输出电流为零），而后级则工作于压控跟随器状态，很容易实现很好的跟随作用。而对于负载来说，前后级是并联输出的，而负反馈是从取样电阻引出送回前级放大器上的。因此，S类功放的质量取决于前级。

图3 S类功放扩流电路原理图

S类功率放大电路的核心是1个带负载能力很强的电流驱动放大器，与负载之间通过电桥耦合。假设放大器的开环增益接近无穷大，那么放大器两输入端的电压将极度接近，用公式表示为：I1R1=I2R2,I3R3=I4R4。

若放大器输入阻抗无穷大，放大器两输入端的电流近似为零，则I2=I4，可得，I1=I2R2R3/R4R1；电桥平衡时，R2R3=R4R1，所以I1=I2，因此I1=0。

根据以上推导，说明当S类功率放大电路稳定工作后，前级放大电路工作在空载或轻载状态，负载所需要的电流完全由后级的电流驱动放大电路提供。这样，电路对前级压控电流源的负载要求不高。

综上所述，只要选择高输入性能和强负载能力的后级功放芯片，输出的变化完全由前级决定。而前级工作在空载状态，其性能基本与负载的变化无关。这样在设计前级时，可以抛开负载能力的考虑而直接使用高精度、低失调的运算放大器；设计后级时，因为输出取决于前级，不必担心负载的加入会影响它的工作性能，选择范围变得更宽。

基于S类功放电路的设计原则，为保证电路的可靠性和足够的性能，采用高品质功放芯片LM3886，其各项电气性能非常接近理想放大器，并且有足够的输出功率。

测试结果表明，无论是大电流还是小电流，负载阻值的改变对系统的影响都比较小，说明系统达到恒流这一基本要求。

结语

该程控恒流源的主要特点是采用S类反馈控制放大电路，实现精密电流控制，具有操作方便、稳定可靠等优点，通过实际测试性能优越。