毕业设计（论文）-数控电流源电路设计—单极性.doc

浙江大学城市学院毕业设计（论文）中文题目 数控电流源电路设计 单极性 英文题目 circuit design of current source based on digital controlunipolar 姓 名 陈 兰 芝 学 号 3025221133 分 院 信电分院 专业班级 通信024班 指导教师（职称） 二oo六 年 五 月二十日数控电流源电路设计单极性【摘要】本文概述了单极性数控电流源设计的选题意义，介绍了本设计的具体要求，研究内容及方法。根据项目要求，文中提出了数控电流源实现的结构图，并指出各模块的联结关系。在此基础上对各模块电路进行了详细的理论分析与具体电路设计实现。包括：时钟模块，数字控制模块，计数模块，置数模块和输出模块五大模块。其中数字控制模块是核心部分，利用数字量控制dac的输出电压，进一步得到电压/电流的转换。通过软件对各个模块仿真，电路具有合理可行性。本文还包含电路的pcb制版，元气件的安装，实验调试，数据的测量与处理。设计结果表明，该电路符合项目设计要求。通过对该项目的研究，该设计实际适用于需要高稳定度小功耗的电流源领域。 【关键词】数字控制，电流源，单极性。circuit design of current source based ondigital control unipolar【abstract】this paper presents a significance of the digital controlled direct current source, the specific requirements , the study contents and methods of the design.according to the project, the paper refers to an achieved chart and points out the relationship between the modules. on this basis, it describes the circuit of the detailed theoretical analysis and the design of the modules. the design is composed of 5 modules: the clock module,the digital controlled module,the count module,the place module and the output module. the digital controlled module is the hard core of the design, using the numbers and control the output voltage of the dac, then the output current is converted voltage. through software emulation of the modules, the design is feasibility.this paper also includes the circuit of pcb, the installation, testing and data measurements. as a result, the circuit consistent with the design requirements.through the study of the project, the design can be applied in need areas of constant current source with high stability and low power.【key words】the digital controlled, the current source, unipolar.【目录】1.绪论11.1选题的意义11.2设计要求11.3研究内容及方法12.电路设计与分析22.1系统结构图22.2各模块设计分析32.2.1 时钟模块电路32.2.2 计数模块电路42.2.3 置数模块电路62.2.4 控制模块部分62.2.5 输出模块电路73.波形仿真93.1时钟电路模块93.2计数电路模块103.3输出电路模块114.电路安装调试与数据处理134.1电路的安装134.2电路的调试134.3数据量测与处理14结论17参考文献18附录19附录a ewb软件介绍19附录b protel 99 se软件介绍20附录c实物版图22附录d电路设计原理图23致谢24281.绪论1.1选题的意义随着电子技术的迅速发展，各种电子设备产品丰富多样，它们对供电设备的要求也越来越高。电源是为各种仪器设备提供能量的装置，因此电源性能的好坏将直接影响设备的工作性能。目前，随着电源技术的迅速发展，电源将朝者高效率，小型化，低电压大电流或高电压等方向发展。与此同时，对于电源的电压或电流的高精确调节也显得十分重要。本项目将对电流源的高精度调节进行详细的研究，因此，对该项目开展研究将具有应用价值和实际意义。1.2设计要求本项目是实现单极性输出的电流源电路，并利用数字量的大小实现输出电流的精确调节。单极性就是输出的电流值为正值，无负值。具体的设计要求为：（1） 输出电流大小要求可以精确控制；（2） 输出电流的大小范围00.5a；（3） 输出电流要求有256级可调；（4） 输出电流的大小可以预置，也可以细调。1.3研究内容及方法本项目的研究内容是为了实现电源输出单极性电流的精确可调，它主要包括时钟发生模块，控制电路模块，输出电路模块，计数电路模块以及置数电路模块等各模块电路的设计等内容。要求输出电流的大小可直接设定，也可进行步进调节。本项目的研究方法主要是利用外部输入的数字量来控制d/a转换器的输出电压，并进一步通过电压电流的转换电路，实现数字量对电流的控制。通过改变数字量的大小来实现单极性输出电流的精确控制。2.电路设计与分析本章先是提出了设计总的系统结构图，然后详细叙述了各个模块的电路设计及分析，一些重要器件的功能与管脚的介绍。其中包括时钟模块，计数模块，置数模块，控制和输出模块等。2.1系统结构图本设计采用转换器是八位的dac0802，所以需要2个四位计数器74ls191串联而成。时钟模块中的rs触发器构成的消抖电路，其输出端接数字电路部分中两个74ls191的端，来控制加法计数还是减法计数。其输入down和up实现数据的粗调功能。用单稳态触发器74ls123产生脉冲信号去控制其中一个计数器的clk，这整块数字部分来完成数据的细调部分。数据直接从data-dip8输入，接到两个74ls191的p0-p3端，其q1-q3输出端直接到d/ac0802的输入端isbb8-isbb1，完成数模转换部分。 dac0802的输出iout端接一个放大器lf353和达林顿管tip122完成电流输出部分。系统结构图如图1所示。时钟发生模块控制电路部分输出电路部分计数部分置数部分图1 系统方框图本设计主要由五大模块组成，时钟电路模块、控制模块、计数和置数模块，还有输出模块，下节有具体模块的详细介绍。2.2各模块设计分析2.2.1 时钟模块电路采用2个74ls00组成rs消抖触发器，输出 端控制数字电路部分中两个74ls191的加减端，当端是0时计数器做加法计数，当端是1时计数器做减法计数。一个74ls00接到单稳态触发器74ls123的b端，down 和up共同控制触发器74ls123产生脉冲信号，因为计数器74ls191的clk是低电平有效，所以选择74ls123的端。当按下down时74ls191是减法计数，当按下up时，74ls191是加法计数。整个消抖电路完成粗调部分，还有提供整个电路的时钟信号。如图2所示。图2 时钟模块电路单稳态触发器 74ls123 由端输出脉冲信号，脉冲信号宽度取决于rcext端的输入信号。74ls123内有两组多谐振荡器，这个直流触发多振荡器的特点是由三种方法控制脉冲宽度，最基本的是选取外部的rc值来控制。可在cext和rext/cext之间外接一定时电容c。为改善脉冲宽度的精确性和重复性，可在rext/cext和vcc之间外接一电阻r，如上图3所示。管脚图如下图4所示。其功能特点：清零终止输出脉冲；为vcc和温度变化补偿；直流触发是高电平或电平逻辑输入。功能如表1所示。r=10k；c=10uf;脉冲宽度；t=rcln2=0.69rc=69ms 图3 74ls123表1 74ls123功能表 注：x表示任意，h、l表示高、低电平，上升沿脉冲。 图4 74ls123管脚图2.2.2 计数模块电路因为dac0802是8位的，所以要用2个四位二进制的加减计数器74ls191，是串接形式。串接方式是前一个74ls191的rc端接到下一个的clk端。即由第一个计数器的rc端当作下个的时钟信号来达到串接的功能。具体连接如下图6所示。其中5脚是加减计数脚，13脚rc是进位信号输出端，et/ep是使能端。管脚图如图5所示。图5 74ls191管脚图 图6 74ls191串接形式同步十六进制可逆计数器74ls191：为“加/减控制信号”：=0时，实现二进制加法计数功能，=1时，实现二进制减法计数功能。为异步置数端，只有为0时，计数器被并行送数，将d0d3的值分别送数置相应的触发器q0q3中。为计数允许控制端，当为1时且为0时，方允许计数器进行加法或减法计数。当为1时，为1时计数器处于保持状态。功能如表2所示。表2 74ls191功能表cp工作状态x11x保持xx0x预置数010加法计数011减法计数注：cp是时钟信，是置数端，x表示任意值，计数端，是计数端。2.2.3 置数模块电路采用一个8位拨位开关data-dip8，从1-8按键直接输入，按下是0，断开是1。八位二进制输入，所以有28=256个，达到项目要求的256个级别，拨位开关中输出端的9 16脚分别接到数字控制电路中两个74ls191中的p0-p3输入端。如图7所示的拨位开关电路。图7 拨位开关电路2.2.4 控制模块部分根据项目设计要求，为了实现输出电流的256级可调，因此可以采用8位的数字模拟转换器（dac）电路实现。dac0802的功能是将输入的数字量转换为相应的模拟量，其管脚图如下图8所示，各个管脚功能如表3所示。图8 dac0802管脚图器件管脚如图8所示。dac0802，工作电压为4.5-18v，输出电压-10-18v，建立时间85ns,非线性最大为0.1%，输出电流02.1ms，电源电流小于175ms。表3 dac0802 各个管脚功能表v接正负电压正基准输入倒相电流输出负基准输入同相电流输出门槛电平调节端comp步率补偿端数字信号输入端dac0802的功能是将输入的数字量转换为相应的模拟量的电路实现如下图9所示。图9 8位数模转换电路结构假设为dac的8位的输入数字信号，为基准参考电压源，根据dac的工作原理，则其输出电压与输入数字信号的关系为当输入的数字量从变化到时，输出电压的变化为。可见改变输入的数字量的值，即可以实现输出电压的大小。2.2.5 输出模块电路由运算放大器lf353，npn达林顿管tip122组成。dac0802构成数据电流源，电流中负载电阻是浮动的，即该负载的任何一端都不直接接地，运算放大器不但给出输出电流而且给出电流增益。如图10所示。vcc图10 输出电路模块运算放大器和q射极跟随器是为适应负载阻抗的变化，而增大电流的输出能力设置的，输出电流i0：流过负载的电流： 参考电流： 所以 当参考电压不变即参考电流不变，输出到负载的电流只随输入的二进制数字d的变化而变化，当输入的二进制数字在d8位每上进一位时，输出的电流仅变化，这是非常微小的，同时还可以看出，当da转换器输入的二进制位数越多，则输出电流的调节就越细微，越精确。3.波形仿真本设计采用ewb软件仿真，其中用开关表示down，up，ld，按下接通表示低电平，断开表示高电平。ewb软件介绍详见附录。3.1时钟电路模块采用2个74ls00组成rs消陡触发器，输出 端控制数字电路部分中两个74ls191的加减端，单稳态触发器 74ls123 由端输出脉冲信号，脉冲信号宽度取决于rcext端的输入信号。 时钟电路模块，第二章2.2.1如图2所示。 vcc接15v电压，电阻r如图所示接5或10欧姆。74ls00的3脚接后面计数模块的u/d端，控制加减计数。端接示波器，down为0时输出波形为1高电平；down为1时， up 从0变到1或者从1到0时输出为一个低脉冲信号。波形如图11所示，其中t=69ms。图11 输出波形图其中脉冲宽度t=71ms，与前章2.2.1中所算结果t=69ms有点误差，但是仿真结果基本符合要求。3.2计数电路模块计数模块如前章所说，是两个74ls191串接而成，其输入端是8位拨位开关，接地表示0，断开表示高电平输入。由两个计数器显示计数值，分别是09，af显示十六进制，具体连接如图12所示。图12 计数电路模块其中用1khz，占空比为50%方波的频率计代替产生脉冲代替时钟信号，两个74ls191计数器的输出端先接到两个led显示计数，后接到logic analyzer。如上图12所示。输出q1q8端分别是2分频，4分频，8分频，16分频，32分频，64分频，128分频，256分频。输出一周的波形上到下分别是q1q8，如图13所示。图13 计数模块输出波形上图波形显示，计数模块的输出端从q1q8的仿真结果完全符合本项目的设计要求。3.3输出电路模块为了实现输出电流的256级可调，因此采用8位的数字模拟转换器（dac）电路实现。dac的功能是将输入的数字量转换为相应的模拟量。 图14 输出电路用1khz，占空比为50%方波的频率计接74ls191的时钟信号，两个计数器显示计数值。8个开关八位拨位接通vcc表示高电平1，接地表示低电平0。放大器的接示波器，显示输出波形。用s表示消抖电路的输出端，接两个74ls191的端，断开低电平0表示加法计数，接通高电平1表示减法计数。 输出电路如图14所示。随着置数端的变化，输出波形如下图15所示。图16为图15椭圆部分的放大波形。 图15 输出波形图 图16 放大部分由输出波形显示为锯齿波输出，此为减法计数，放大部分显示输出为阶梯的方波组成，整个输出波形符合设计要求。4.电路安装调试与数据处理本章介绍了电路安装顺序及安装时的注意事项，电路调式的方法和步骤，以及实验数据、波形的测量和数据处理、分析。其中pcb制版用到的软件protel 99 se介绍详见附录。4.1电路的安装根据电路设计原理在protel 99 se软件上生成印刷电路板图pcb，从而制成电路板。注意元器件的合理放置和布线，还有地线的处理。制作好了pcb板，去领元气件，包括所需要不同值的电阻、电容，集成芯片如74ls00，74ls191，dac0802等，注意插ic的底座0脚方向及底座引脚的数量。焊电路板时，先焊小器件如电容、电阻，再焊大器件如一些底座，lm7805，tip122等。最后jp2、jp1引出接线，注意导线颜色的区别，便于后续测量。焊接时注意底座的缺口方向，lm7805，tip122的1、2、3管脚方向等，焊点的大小，防止有虚焊、空焊的现象。最后检查整个电路板，观察焊接情况，防止有short现象，底座插上集成芯片。4.2电路的调试先由电源给jp2提供15v电压，注意正、负、地的接线。示波器黑笔接地，注意调零。由前几章得知，2个与非门产生一上升沿脉冲，即74ls00的3脚。74ls123的4脚输出下降脉冲，提供第一个74ls191的时钟信号。74ls191的输出管脚分别是3、2、6、7。jp1的3脚即信号。通电时，示波器红笔先接74ls00的3脚，示波器显示上跳，接6脚时显示下跳，接74ls123的4脚，按动down、up时，示波器有显示有短暂的脉冲，与理论值一致。取下74ls123芯片，在底座4脚接通12k频率的方波，即用频率计代替前面的时钟信号。示波器的红笔分别接触两个74ls191的3、2、6、7脚，示波器分别显示2分频，4分频，8分频，256分频的方波。与理论值一致。在电路板处于如上的状态下，将示波器红笔接，调节可变电阻器后，示波器显示上升（加法时）的锯齿波形状，如下图17所示。图17 实际量测输出波形分析上图波形，与3.3的仿真结果一致，本电路符合设计要求。4.3数据量测与处理插上74ls123集成芯片，万用表红笔接输出，黑笔接地。接通电源量测，万用表显示的即为输出电压，输出接的电阻=220，即为输出电流。项目要求输出电流有0255共256级可调，其中粗调时我分为10级，理论值计算：，其中，=5v，=100，=1k，=1k。所以，举例置数端00001010，0.0039 a具体实测数值，理论值如下表4和图18所示：表4 粗调显示粗调0255075100125150175200255电压v0.011.082.053.24.265.236.377.378.149.11电阻220220220220220220220220220220电流a0.000 0.005 0.009 0.015 0.019 0.024 0.029 0.034 0.037 0.041 理论a00.00480.00970.01460.01950.02440.02930.03410.0390.045由粗调试表4显示，输出电流可以从00.04a，达到设计要求。由下图18显示，有125、175、200的实测数据比理论值高些，分析原因可能有万用表的读数误差、也可能在按up键时有数错数字。总之，整体情况符合设计要求，可以预置（粗调）图18 粗调输出显示细调时我测量了从十进制10（1010）31（11111）的输出电压，从八位拨位开关输入二进制数值，具体理论值计算如上所述，输出实测值与理论值如表5和图19所示： 表5 细调输出电流二进制十进制电压v电阻电流a理论 a1010100.892200.00400.00391011110.982200.00450.00431100121.072200.00490.004681101131.162200.00530.00511110141.22200.00550.005461111151.342200.00610.0058510000161.432200.00650.0062410001171.522200.00690.0066310010181.62200.00730.0070210011191.692200.00770.0074110100201.742200.00790.007810101211.862200.00850.0081910110221.952200.00890.0085810111232.042200.00930.0089711000242.132200.00970.0093611001252.212200.01000.009811010262.32200.01050.0101411011272.382200.01080.0105311100282.482200.01130.0109211101292.562200.01160.011311110302.652200.01200.011711111312.742200.01250.01209100000322.832200.01290.01248 图19 细调输出电流由图19显示，实测输出值比理论值较稍微高些，原因可能有计算误差，读数误差等。在10%的允许误差范围内，符合设计要求。由表5显示，在范围10（1010）31（11111）中，输出电流较稳定，具有很高的精度。所以细调输出符合本设计要求，输出电流在00.04a范围内可以细调、任意设定。结论本文第一章绪论概述了数字控制电流源单极性设计的选题意义，介绍了本设计的具体要求，研究内容及方法。利用数字量控制d/a转换器的输出电压，进一步得到电压/电流的转换，从而实现数字控制电流源的设计。单极性输出值均为同一极性，在此输出为正值。根据设计要求，在第二章文中提出了数控电流源单极性设计实现的系统结构图，并对各个模块电路进行了详细的理论分析与具体电路设计实现，其中还包括各个模块用到器件的介绍，比如计数模块用到的74ls191，控制模块用到的dac0802等。本设计主要有5大模块组成：时钟模块；数字控制模块；计数模块；置数模块；输出模块。其中数字控制模块是核心部分，实时将数字量转换成模拟量，即改变输入数字量的大小来实现输出电压大小的改变。时钟模块为计数器提供脉冲信号，控制计数器74ls191的加/减计数。输出模块中输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，具有很高的精度，输出电流在00.04a范围内任意设定。通过ewb软件对各个模块进行仿真如第三章所述，其中包括时钟模块，仿真结果的脉冲宽度为110ms符合设计要求；计数模块仿真，由频率计提供时钟脉冲信号，2个74ls191的输出端分别是2分频，4分频，256分频，有256级范围可调，达到项目要求。控制模块仿真，频率计控制的计数器输出接入dac的出入，输出波形是锯齿波，与理论结果一致。仿真结果显示，电路具有合理可操作性。本文还描述了电路设计的pcb制版，元气件的安装及焊接注意事项，电路板的实验调试步骤与方法，实验数据的测量与处理。其中量测的数据结果分别与理论值对照，由表和图来显示。数据结果表明，该电路设计完全符合项目要求。通过对该项目的研究，该设计实际适用于需要高稳定度小功耗的电流源领域。在整个电路设计焊接过程中，我不但熟悉掌握了电路设计的步骤，巩固了一些软件的应用，而且锻炼了我的实际动手能力，使学到的知识应用到了实际操作中。参考文献1陈邦媛射频通信电路m浙江：浙江大学出版社， 2002 2孙余凯，项绮明等，常用集成电路实用手册m北京：电子工业出版社20053吴立心 实用电子技术手册m 北京：机械工业出版社 2003.94孙俊人等 通用数字电路m北京：中国计量出版社 2001.15王新贤 通用集成电路速查手册m山东：山东科技出版社 20026电源产业及电源技术的当今发展趋势，环商数据，2005.127张国君，王学礼，现代电力电子及电源技术的发展，中国论文下载中心，8中国电源产业的发展现状与分析 9james bignell &robert donovan，ditital electronics by roger l.tokheimm 机械出版社附录附录a ewb软件介绍“虚拟电子工作平台”（electronics workbench），简称ewb，是加拿大“interactive image technologies”公司设计推出的电子电路仿真分析、设计软件。与其它电路仿真软件相比较，ewb具有界面直观、操作方便、采用图形方式创建电路等优点，构造电路、调用元器件和测试仪器等都可以直接从窗口图形中调出，可以对电子元器件进行一定程度的非线性仿真，不仅测试仪器的图形与实物相似，而且测试结果与实际调试基本相似。使用虚拟测试仪器对电路进行仿真实验如同置身于实验室使用真实仪器测试电路，既解决了购买大量元器件和高档仪器的难处，又避免了仪器损坏等不利因素。同时在该软件下调试所得结果电路可以和tango、protel和orcad等印制电路设计软件共享，生成印制电路，自动排出印制电路版，从而大大加快了产品开发速度，提高工作效率。而且该软件直观的电路图和仿真分析结果的显示形式非常适合于电子类课程课堂和实验教学环节，是一种非常好的电子技术实训工具。可以弥补实验仪器、元件少的不足及避免仪器、元器件的损坏，可以帮助学生更好地掌握课堂教学内容，加深对概念、原理的理解，通过电路仿真，进一步培养学生的综合分析、开发设计和创新能力。本书简明易懂，实用性强，用了一些简单实例一步一步引导读者，使读者能快速掌握ewb的操作和使用。ewb最明显的特点是：（1）界面直观。绘制的电路图需要的元器件、测试仪器都是以图标方式出现，而且仪器的操作开关、按钮同实际非常相似，很容易学会和使用。（2）易学易用。具有一般电子技术基础知识的人员，只需几个小时就可以掌握ewb的基本操作。（3）仿真的手段和实际相符，仪器和元器件的选用和实际情形非常相似。可以通过对电路的仿真，既掌握电路的性能，又熟悉仪器的正确的使用方法。（4）具有齐全丰富和可扩充的元器件库。提供了数千种元器件供选用，不仅提供了元器件的理想值，而且有的元器件还提供了实际厂家的元器件模型。（5）具有完整的混合模拟与数字信号模拟的功能。可任意地在系统中集成数字及模拟元器件，会自动地进行信号转换。测试具有即时的显示功能。（6）在对电路进行仿真的同时，还可以存储实验数据、波形、元器件清单、工作状态等，并可打印输出。（7）提供了各种分析手段。有静态分析、动态分析、时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析、离散傅立叶分析、温度分析等各种分析方法。（8）可人为的设置短路、开路、漏电等故障分析。（9）与spice软件兼容，可相互转换。ewb产生的电路文件还可以直接输出至常见的protel、tango、orcad等印制电路板排版软件。（10）提高了电子设计工作的效率。附录b protel 99 se软件介绍电路设计自动化eda（electronic design automation）已成为时代潮流，eda的设计思想因此普及。protel设计系统是一套建立于ibm兼容pc环境下的eda电路集成设计系统；protel设计系统是世界上第一套将eda环境引入windows环境的eda开发工具，是具有强大功能的电子设计cad软件，以高度的集成性与扩展性著称于世。protel公司2001年推出的具有pdm功能的eda综合设计环境protel 99 se，是基于windows 98/200/nt/xp环境的电路原理图辅助设计与绘制软件，是具有原理图设计、pcb电路板设计、层次原理图设计、报表制作、电路仿真及逻辑器件设计等功能，是电子设计的有用软件之一。 protel 组成如下：(1) 原理图设计系统原理图设计系统是用于原理图设计的advanced schematic系统。这部分包括用于设计原理图的原理图编辑器sch以及用于修改、生成零件的零件库编辑器schlib。(2) 印刷电路板设计系统印刷电路板设计系统是用于电路板设计的advanced pcb。这部分包括用于设计电路板的电路板编辑器pcb以及用于修改、生成零件封装的零