数控直流电流源系统设计

摘 要 I 摘 要 本文以单片机 PIC16F73 为核心，实现了数控直流电流源的电路设计。系 统电路主要由电源、控制与显示部分、二级滤波电路部分、电压放大电路和电 压电流转换电路五大部分组成。电源可以实现输出 5V 和 15V 的电压；控制与 显示系统，主要运用 PIC16F73 单片机芯片控制和 8 位 LED 数码管显示；二级 滤波电路部分，运用积分电路原理，将 PWM 整定为直流电压输出；电压放大 部分，运用集成运算放大器放大输出电压；在放大电路中引入反馈电路进行电 压/电流转换部分，利用深度负反馈电路使直流电流稳定输出。 该电流源可预置输出、调节步进、数字显示，具有设定准确、输出电流稳 定、可调范围全程线性等特点。并且功耗低、性能可靠、结构简单、使用直观 方便。 关键字：单片机，电流源，电压源，数控 Abstract II Abstract Base on the Single chip Microcomputer PIC16F73 as the core, we complete the NC DC Current Source design. The design is composed of five basic modules. Including system a power supply, control and display part, two filter circuit, voltage amplifier circuit and the Voltage current transition circuit. Self-made power supply can supply the 5 V and 15 V electric voltage. Controlling and showing system mainly make use of MCU PIC16F73 and 8 LED. Level 2 filter circuit part, using integral circuit principle, output the PWM voltage output as dc; Voltage amplifier parts, using the integrated operational amplifier amplified output voltage; In the introduction of feedback amplifier circuit voltage/current transition section, using negative feedback circuit dc current that depth stable output. The current source preset output, adjust the step, digital display, have set accurate, output current stability, adjustable wide range linear etc. And low power consumption, reliable in performance, simple in structure, convenient use intuitive. Key Words: Micro-programmed Control Unit(MCU)，voltage source ，current source ， Numerical controlled 目 录 III 目 录 摘 要 I ABSTRACTII 目 录III 第一章 绪 论1 1.1 选题的目与意义1 1.2 研究现状.1 1.3 工作安排.2 1.4 技术指标.2 第二章 系统方案论证4 2.1 电流源设计.4 2.2 系统总体结构的设计6 第三章 系统硬件设计8 3.1 电源部分.8 3.2 控制与显示装置.11 3.3 显示与键盘13 3.4 电流源设计14 3.4.1 滤波电路14 3.4.2 电压与电流转换电路14 3.4.3 电压放大.16 3.5 纹波抑制处理.16 第四章 系统软件设计18 4.1 软件设计18 4.2 软硬件调试.21 4.2.1 硬件调试21 目 录 IV 4.2.2 软件调试.22 结 论23 参考文献25 致 谢26 附 录 系统原理图27 第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 选题的目与意义 目前，国内外许多电表厂、生产单位及科学院等研发单位，都可以制作数 控直流电流源，可以说电流源是电路控制中最基本的元件装置，目前该技术现 在已经基本成熟化，在制作方式及采用方法方面的选择也开始变得比较多。数 控技术是未来仪表控制的趋势1，但是也存在着控制和输出精度不高，抗干扰 不是很强等的一些问题，要继续改进和做的工作也很多。 在当今社会中，单片机已经发展成为了现代电子技术的主流，并且逐渐在 工业和民用的独立电子系统中发展成为了核心器件，逐渐起到了系统核心的作 用。目前，单片机的发展趋势是兼容化、系统化、多功能化及低功耗化，单片 机及其系统、智能化的多功能传感器及通信的网络化等高新技术的相互融和， 很可能在未来的发展趋势中将成为主流2。在检测和控制系统中，单片机也逐 渐得到了广泛的应用，而在这种系统中，电流值这个量必须要测量的，并且还 是个需要被控制和保持的量，但是又因为电流值是模拟量，它是不能与单片机 直接相互交换信息的，但如果在适当的技术下是可以来完成模数转换的3 4， 这样在原理上虽不困难，但相应的电路将比较复杂，并且还很可能会遇到其他 问题。用 PIC16F73 单片机多余的 I/O 口完成对电流的检测与控制的目的，还可 以简化电路、使接口更加方便,使其更易于实现，一般可以应用在一些精度要求 相对不是很高的系统中5。针对电流控制和检测方面的一些特点，应用单片机 来实现这个功能，采用传统的数控电阻箱控制输出方法，主要存在以下缺陷： 一是核心元件数控电阻箱价格昂贵,在市面上非常不容易买到。二是控制精度低， 往往不能满足高精度输出和检测的要求。三是该电路稳定性差，相应的抗干扰 的能力也比较弱，测量相对来说误差比较大6。 1.2 研究现状 目前，国内外许多电表厂、生产单位及科学院等研发单位，都可以制作数 控直流电流源，可以说电流源是电路控制中最基本的元件装置，目前该技术现 第一章 绪 论 - 2 - 在已经基本成熟化，而且在其制作的方式与所采用的方法方面也相应变得比较 多了。数控技术是未来仪表控制的趋势，但是也存在着控制和输出精度不高， 抗干扰不是很强等的一些问题7，要继续改进和做的工作也很多。 在现代电子技术中，单片机技术是这个应用中的主流技术，最为显著地应 用是在工业应用中及民用的独立电子系统中的应用中8，总之单片机在这些系 统中的核心控制作用是不可替代的。现如今，单片机系统正在不断的朝着兼容 性变强，更加系统化以及多功能化和低功耗化的趋势方向发展。针对电流控制 和检测方面的一些特点，应用单片机来实现这个功能，采用传统的数控电阻箱 控制输出方法，主要存在以下缺陷:一是核心元件数控电阻箱价格昂贵,在市面 上非常不容易买到9。二是控制精度低,往往不能满足高精度输出和检测的要求。 三是该电路稳定性差，相应的抗干扰的能力也比较弱，测量相对来说误差比较 大。 1.3 工作安排 本数控直流电流源设计是以数电和模电技术为设计基础，又应用计算机控 制技术来完成的数控直流电流源电路的电路设计。 首先，通过分析和比较，确定符合设计要求的系统总体设计方案，并设计 出系统的总体结构框图。 其次，我们通过在以上完成的基础上实现对以下设计组成部分的电路的目 的。这几部分电路包括电压电流转换电路，电压放大电路，二级滤波电路，电 源，电流源等电路的系统设计10。 第三，最后我们要设计系统软件，独自绘制电路各部分的流程图；编写系 统各部分的程序。 1.4 技术指标 本数控直流电流源设计通过查询资料和独立学习，在指导老师的指导下制 作出此数控直流电流源的，该直流电流源要求工作相对稳定，输出准确，抗干 扰能力强，电路结构简单，要求可以实现以下一些功能和结果： 第一章 绪 论 - 3 - 1输入交流 200240V，50Hz；输出的电压的直流值要求10V； 2输出电流范围：200mA2000mA； 3电流的输出值与给定值的偏差的绝对值所给定量的 1+10mA； 4步进10mA；具有正负步进功能； 5当负载电阻值的大小变化时，输出的电流值的变化的绝对值要求要电 流输出值的 1+10mA； 6具有自制电源； 7要求纹波电流要小，其值要2mA。 第二章 系统方案论证 - 4 - 第二章 系统方案论证 本设计的直流电流源是存在这么几个问题的：一是设计电流源和控制；二 是显示电路的设计。除此之外，我们还要从电子系统设计的这个角度来考虑， 并且还需要考虑电压源的系统设计。 为使所做电流源具有各种功能和适应要求，我们采用计算机编程手段，通 过对各部分电路采集的数据进行处理，实现了电流源的广输出电流范围，多种 高精度步进调整功能，快速而准确的显示各种电流值11，抗干扰强力等多种功 能。 在此系统设计中较为困难的是对输出电流进行控制和显示，要求精度要高 而且准确快速显示。为此，我们对系统各部分进行了仔细分析，提出了如下电 流源控制方案。 2.1 电流源设计 要想设计电流控制，我们可可以有这么几种设计方案来选择，如以 PWM 技术为基础的开关电源方案，再就是以模拟器件为基础的模拟反馈压控方案， 还有就是以微控制器为设计基础的数字反馈数控方案等12。 方案一：以微控制器为设计基础的数字反馈数控方案，其设计的结构图如 下图 2-1 所示。 控 制 器 D/A 转 换器 A/D 转 换器放大器 负载 R 图 2-1 以微控制器为基础的数字反馈结构图 第二章 系统方案论证 - 5 - 该方案将图 2-3 的系统数字化，在微控制器上设计调节器，通过 A/D 转化 直接得到电流的数字值。上图 2-1 是则就是它的设计的结构示意图。 数字反馈控制的原理为：取样电阻串入负载回路，放大取样电阻两端的电 压，通过 A/D 转换可以得到负载回路的电流值，采用一定的控制算法 如 P 控 制、PI 控制等，通过调节 D/A 输出的电压值达到对电流的控制。 该方案的缺点在于采用的是数字反馈和软件实现的调节器，系统的调节速 度不够快，抗高频干扰和大幅度负载波动的能力较差，而且过错也是比较额度 复杂，不易操作，因此我们也没有采用。 方案二：我们采用以二级滤波电路来控制电压输出。电路图如下 2-2 所示。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:27-May-2012Sheet of File:C:UsersasusDesktop与与MyDesign2.ddbDrawn By: PWM CD4094 R1 10K R2 R3 200K D1 -15V CA3140 +15V -15v 3140 +15V C1 0.1ufC2 0.22 R5330k R10 1K R4R11 R6 10K R12 200k R7 10k R8R9 10K +5V +15V -15V VOUT W1 图 2-2 二级滤波电路电路图 该方案电流源电路由三部分电路组成，二级滤波电路，电压放大电路和电 压/电流转换。该二级滤波电路主要是将 PWM 脉宽调制波转变为平稳的直流电 压输出，然后经过电压放大电路放大输出电压，然后得到的电压信号经过电压/ 电流转换电路转换为直流电流输出。该方案电路原理清晰可行，而且控制灵活。 第二章 系统方案论证 - 6 - 方案三：采用集成芯片 LM2576。但此电路采用可变电阻，无法实现数控 所以我们不采用13。 方案四： 采用数控电阻箱来控制输出，电路图如图 2-3 所示。 如图 2-3 所示，数控电阻箱和 3 个三极管等组成电流源部分电路，我们可 以通过芯片控制数控电阻箱的电阻值，从而改变了整个回路的负载，输出的电 流再经过晶体管的放大无失真的输出，输出电流值也就随之发生变化，因此我 们可以通过控制数控电阻箱的阻值来控制电流的输出。本方案看似简单易操作， 但是它有一个很大的缺点，就是该方案的核心元件数控电阻箱价格昂贵，在市 面上非常不容易买到，而且该电路稳定性差，抗干扰能力弱，测量误差大，对 于我们的要求高度很难达到，因此我们没有采用。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:27-May-2012Sheet of File:C:UsersasusDesktop与与MyDesign2.ddbDrawn By: T0 NPN T1 BOT11A T2 BOT112 R1 1K 与与与与与 +15v与vcc与 图 2-3 采用数控电阻箱控制输出电路图 鉴于上述对比可以看出，方案二在控制量的范围、稳定和功耗上都能更好 满足我们设计的要求，因此我们采用第二种方案。 2.2 系统总体结构的设计 系统总体结构框图示于下图 2-5。 对单片机的要求：只要是能够达到简单方便地扩展显示器、键盘、A/D 转 换器、D/A 转换器等外设的目的即可，其他并无特殊要求。目前市场流行的单 片机主要有 8051 系列、8096 系列、SPCE061A 的凌阳单片机、PIC 系列的单片 机等。PIC 系列单片机虽然只有 8 位的处理器，但是在速度与功能方面，它与 第二章 系统方案论证 - 7 - 现有的高档单片机比起来却一点也不逊色。 PIC 系列单片机芯片种类繁多，且单片机具有集成度高、易于扩展，中断 处理能力较强，指令系统效率高等特点，且我在课余时间曾经自学过，可以灵 活使用，故本设计我选择了 PIC16F73 型 8 位单片机作为控制芯片。 系统硬件以 PIC16F73 单片机为控制核心，它的外围模块主要有电压源模 块、数码管显示模块、电流源模块，其中电流源模块又包括二级滤波、电压放 大和电压/电流转换等电路等。 单片机 PIC16F 73 键盘 电流 源 负 载 输出显示输入显示 电 源 图 2-5 总体结构框图 该系统需要可以输出 5V 和 15V 的两种电压源，为系统的工作提供能量来 源， 5V 的电压源用来启动控制与显示电路部分，即单片机最小系统，当有 5V 电压输入时，启动电路，使该系统工作；15V 电压源用来启动与控制电流源部 分，当 15V 电压输入时，电路工作，PWM 信号进入滤波电路，然后 PWM 波 被整定为直流电压输出，再经过电压放大电路和电压/电流转换电路得到直流电 流输出。 第三章 系统硬件设计 - 8 - 第三章 系统硬件设计 3.1 电源部分 现代社会随着微电子技术的不断进步，单片机系统能否正常运行在很大程 度上取决于系统电源的好坏。在设计系统电源的时候，我们考虑到的不仅仅是 功率问题还有电平与抗干扰等一系列的问题。在功率方面我们也要设计的满足 全系统工作的需要，在一般的单片机设计系统中，大部分的器件的工作方式都 是脉冲方式，在相对小一点的设计系统，则是以功率消耗的脉冲特性为主的， 由于器件功耗的分散性，而较大的系统由于器件功耗的分散性，使得系统整体 的功耗消耗比较平稳。因此，在我们设计的单片机系统中，一定要在电源要求 耐冲特性方面使其特性高到满足设计要求，从而，我们在进行电源设计时，必 须设计留有一定的余量，而在一般大系统中则要比实际功率消耗高 1.5 倍到 2 倍左右设计，在小系统中则设计是实际功率的 2 到 3 倍。 在本系统中想要保证对电流的高精度的控制，最先要尽量的减小电源的扰 动。而本设计在电源电路方面，要求是比较高的。首先，要尽量减小电压源这 纹波大小，而这则必须在制作过程中要求进行有效的滤波；再者，因为在整个 闭环中，在反馈环节中，其扰动是没办法克服的，而且其中更为重要的是反馈 环节的稳定性与精确性，这就必须满足使电流源部分噪声低、纹波电流小的要 求，从而使其在根源上消除系统内部扰动和纹波电流。 对于功放电源的选择，开关电源可以达到更高的容量，但是开关电源给电 路引入的谐波干扰十分严重，不适合本题的要求。为了达到这样的目的，我们 使功放电源与控制电路电源一起采用了线性稳压电源。为了尽量减小电路的干 扰，除了采用普通的整流滤波外，在电源端加上了有源滤波。实验证明，该滤 波电路是非常有效的。 在系统中我们设计了两套直流稳压电源，一套为单片机及其外设提供工作 电源，要求电压是 5V；另一套则是由电流源部分来提供系统所需的电源，本设 计所要求的电压是 15V。然后我们采用把两套电源给分开的措施，从而在提高 系统稳定性方面起到了一定的作用。 第三章 系统硬件设计 - 9 - 方案一：我们采用开关型的稳压电源来给整机供电，此方案在电流源供电 方面能够满足本设计的要求，但由于开关性的电源是相对比较复杂的，在体积 方面也不占优势，制作也是很不方便，所以我们不选择此方案。 方案二：通过全波整流和滤波稳压电源使用 78 系列三端稳压器件，单片 机控制系统和外围芯片。给外部测试电路的电流源部分提供了一个比较大的功 率，所以我们必须选择高功率器件。还认为，电流源的输出电压小于 10V，最 大输出电流为 2000 毫安或更少，从公式 P= U*I，我们可以粗略估计电流源的 功率为 20W。此外还应考虑到，除了恒流源功率管的功率损耗的一部分，你需 要预留一定的余量，它必须是电源输出功率为 30W 或以上。为了达到减少输出 电流纹波的目的，将不得不选择供电稳定的电源，我们选择的隔离电源，KA78 系列三端稳压器的高精度大电流电源。该方案不仅满足电流输出精度高，还满 足题目要求，很简单，实用，自制，非常方便，所以我们最终选择了方案二 在对为电流源负载提供功率的 15V 电源进行设计时，我们考虑了两套方案： 第一种，直接采用不稳压的整流电源；第二种，采用直流稳压电源。 考虑到系统对稳定性的要求以及对纹波电流的要求，我们选择了用 KA7815 三端稳压器构成的稳压电源。其优点是： 本设计的电路不仅仅结构简单，更是可以达到当输出电流提高时使所输入 的交流电压的变化比较稳定的目的； 在电流源电路中，为其提供高质量工作电源并且具有很小纹波、稳压特性 也比较好，以此来达到最有效的降低电流纹波系数的输出值； 本设计所输出的电压不仅稳定而且很准确，散热也很方便。 5V 电源电路图示于下图 3-1 中，15V 电源示于下图 3-2 中。 第三章 系统硬件设计 - 10 - 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:27-May-2012Sheet of File:C:UsersasusDesktop与与与与与与与与.ddbDrawn By: 1 2 3 4 D1 IN4007 3 +5v 2 VIN 2 GND LM7805CT + - R1 1K C1 0 C3 15PF C2 15PF 21MHZ 1K 1K 1K 1K +5V PWM MCLR RA0 RA1 RA2 RA3 RA5 VSS 9 10 RC0 RC1 RC2 RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB1 RB0 VDD VSS RC7 RC6 RC5 RA4RB2 RC3RC4 16F73 C1 4400U C2 100U C3 0.22U 3 v0 2 VIN 2 AJD IC2 7815 CD4094 R2 R6 10K R5330K R8R9 R12 200K R10 1K R11R4 R3 200K R1 10K Q? NPN D1 3 2 1 84 A CA3140 3 2 1 84 CA3140A C2 C1 0.22 10K W1 0.1 LED 11u 11u 100u 4700u TRANS1 F? FUSE1 T? TRANS1 1 2 3 4 4004 BRIDGE1 图 3-1 5v 电源的设计电路图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:27-May-2012Sheet of File:C:UsersasusDesktop与与与与与与与与.ddbDrawn By: 1 2 3 4 D1 IN4007 3 +5v 2 VIN 2 GND LM7805CT + - R1 1K C1 0 C3 15PF C2 15PF 21MHZ 1K 1K 1K 1K +5V PWM MCLR RA0 RA1 RA2 RA3 RA5 VSS 9 10 RC0 RC1 RC2 RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB1 RB0 VDD VSS RC7 RC6 RC5 RA4RB2 RC3RC4 16F73 C1 4400U C2 100U C3 0.22U 3 v0 2 VIN 2 AJD IC2 7815 CD4094 R2 R6 10K R5330K R8R9 R12 200K R10 1K R11R4 R3 200K R1 10K Q? NPN D1 3 2 1 84 A CA3140 3 2 1 84 CA3140A C2 C1 0.22 10K W1 0.1 LED 11u 11u 100u 4700u TRANS1 F? FUSE1 T? TRANS1 1 2 3 4 4004 BRIDGE1 图 3-2 15V 电源的设计电路图 以上可以看到稳压电源由整流电路、电源变压器、稳压电路和滤波电路等 几个部分组成。并示于下图 3-3 中。 图 3-3 电源方框及波形图 a 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压 U2变换成脉动电压 U3。滤波 电路一般由电容组成，其作用是将脉动电压 U3中的大部分纹波加以滤除，以得 第三章 系统硬件设计 - 11 - 到较平滑的直流电压 U4。 b 稳压电路：因为输出的电压 U4受到多种因素的影响，如负载、输入电压 和温度等，因此为了使输出的电压更加稳定而添加了稳压电路，因此我们得到 了稳定的电压 U5。 因为标题的电流范围 200 毫安到 2000 毫安计算，需要约 30W 电源输出功率， 电压在 15V 左右。7815 稳压芯片，约 24V 整流的 15V 电源电路的电压，以获 得稳定的输出是 15V。 此两个电压源分别可以提供 5V 和 15V 电压，5V 电压源可以提供 9W 功率 输出，15V 电压源可以提供 50W 功率输出，电源电路简单，容易制作，稳定性 好。 3.2 控制与显示装置 方案一：数字信号的处理器 DSP 很强大，不仅能够完成很多复杂的控制任务，还能完成一定的数据处 理任务，但它们的价格已经比单芯片的高，很高的成本。在恒流源的控制领域， 是不具有普遍的应用趋势的。 方案二：我们选用 CPLD 作为主控制器来进行控制 我们选择的这个方案的逻辑电路很复杂，不灵活，尤其在扩展各种功能方 面是很不利的。而且还存通信频率相对来说比较高的问题与及 CU 编程时存在 的复杂的时序控制困难等问题。基于这方面的考虑，这个主题的重点就变成了 精确的输出电流信号，而不是我们所要的逻辑控制了，所以是不选择这个方案 的。 方案三：选用单片机 PIC16 系列单片机可以提供的种类非常多，可以根据不同的需求选择合适 的单片机芯片，其造价低廉且通用性好，功能很多，而且市场方面的应用是很 成熟的，用 PIC16F73 单片机能很好的满足题目设计的要求，并且可以提高资 源的利用率。 第三章 系统硬件设计 - 12 - 综上比较，我们选用方案三。 1元件组成与设计电路图 该控制器以及显示部分所用到的硬件有：主单片机芯片 PIC16F73，三极管 (4 个,型号是 9012)，控制选位与电流步进的按扭 0，1，.2，3 部分，控制电源 复位的按扭 4 和电容(10u)部分，晶振（XTAL） ，8 位 LED 数码管，各种电阻 等等。 电路设计的连接图示于下图 3-4 中。 2设计的工作过程与主要功能 它的核心部分就是单片机系统，而它也主要被用于管理键盘按键、处理数 据、分析实时采样系统的参数及整体调整各部分反馈环节等方面。 LED 管的阴极引脚是并接的，共阳极部分则是独立的控制，另外四个引脚 的状态则决定是哪个数码管要显示，我们通过控制按扭 0 和 3 便可以达到此目 的；另外按扭 1 可以实现控制电流的步进“+”功能，按扭 2 可以实现控制电 流的步进“-”功能。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10-Jun-2012Sheet of File:C:PROGRAM FILES (X86)PROTEL 99SE与与与EXAMPLESBackup of 与与与与与与与.DDBDrawn By: MCLR RB7 RA0RB6 RA1RB5 RA2RB4 RA3RB3 RA4RB2 RA5RB1 VSSRB0 9VDD 10VSS RC0RC7 RC1RC6 RC2RC5 RC3RC4 PIC16F73 1k 1k 1K 1K R1 1K C110U C2 15PF C3 15PF 4 3 2 1 0 5K 2K 9012 9012 91029012 5K 2K 5K 2K 5K 2K a bf c g d e a bf c g d e a bf c g d e a bf c g d e a b c d e f g db 21MHZ +5V +5V PW M T3 T2 T1 T0 与与与 第三章 系统硬件设计 - 13 - 图 3-4 控制与显示系统电路图 在实际的运用和操作过程中我们经常需要进行电流的复位，我们在此电路 中所设计的按扭 4 便可以轻易实现此操作，可以实现电流的复位功能。我们所 用的时钟速度模式是 HS 模式，晶振（4MHz）部分可以给单片机提供实时时钟， 从而驱动单片机工作。 3.3 显示与键盘 在显示方面，所有段选择接收域代码数字控制线平行的位位选线控制。反 复扫描刷新动态扫描显示，每次显示时间很短，使用数码管的余辉和人类的视 觉暂留效应，使人们的感觉像你在同一时间显示。而在动态显示中，其亮度比 静态显示的亮度还要差一些。这样为了保证动态显示的效果要求，则需满足动 态显示位数满足不超过 8 位的要求。 对显示器的要求：我们的设计要求能够显示出预设电流及实际所输出的电 流等；在显示方面可以用 6 位以上 LED 显示器、LCD 显示或者触摸屏等。 方案一：采用液晶显示模块。虽然液晶显示器的功能有功耗低，震动轻， 显示信息丰富等特点，但它的操作和使用更为复杂的，而且本着节约和简化的 目的，对于本设计的简单的显示和操作要求，无须使用如此高档的显示模块， 有些浪费，因此我们没有采用。 方案二：用 LCD 及 THS112232-9 芯片完成显示。LCD 有明显的优点工作 电流比 LED 小几个数量级，故其功耗很低；体积小；字迹清晰、美观；寿命长， 使用方便；但因为其不易维护且价格相对较高所以没有选择使用。 方案三：采用 LED 数码管显示。LED 数码显示器价格便宜，且亮度相对 比较高，显示功能也完全达到了本设计所述的显示要求，还易于实现，因此我 们选用 8 位 LED 显示，没有运用 LCD，液晶显示器或者触摸屏之类，实现了 电路设计的可靠性及简化性的设计要求。 由于我们要考虑简化的硬件设计及软件设计的系统要求，所以选择了采用 第三章 系统硬件设计 - 14 - 方案三，我们所选择使用的 LED 不仅仅显示屏可显示交替，而且可视度也比较 高，因此我们采用 LED 数码管来显示输入输出信息。 按键共有 5 个，其中 1，2 为两个步进按键，实现步进控制，0，3 是两个 控制与选位按键，选用 4 按键来完成对整个系统的复位控制。 3.4 电流源设计 3.4.1 滤波电路 该部分主要是将 PWM 信号整定为直流电压输出。电路图如下 3-5 所示。 经过电压源的驱动后，电路工作导通，PWM 信号进入该部分电路，经过 该部分二级滤波电路把输入的 PWM 波整定为直流电压输出，我们所设计的部 分采用的主要原理是积分整定原理。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:27-May-2012Sheet of File:C:UsersasusDesktop与与MyDesign2.ddbDrawn By: PWM CD4094 R1 10K R2 R3 200K D1 -15V CA3140 +15V -15v 3140 +15V C1 0.1ufC2 0.22 R5330k R10 1K R4R11 R6 10K R12 200k R7 10k R8R9 10K +5V +15V -15V VOUT W1 图 3-5 电流源电路图 3.4.2 电压与电流转换电路 方案 1：运用电压电流转换器 H-VIC 的连接标准的信号处理，是一种高性能的电压和电流转换模块，它 第三章 系统硬件设计 - 15 - 不仅低价格，而且输入和输出隔离了1500V 峰值。它的应用可能看似简单， 但分离后的输出电流范围为 4mA 至 20mA 或 0mA20mA 对应电流，不能满 足设计要求，因此不能采用。 方案 2：运用反馈电路进行电压/电流转换 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:27-May-2012Sheet of File:C:UsersasusDesktop与与与与与MyDesign2.ddbDrawn By: A1 A2 R3 R1 R4 R3 R与与与与 R2 U1 I0 U01P1 N1 图 3-6 电压/电流转换电路图 这个监控系统，要使数字显示输出电流，电压转换成电流。要做到这一点， 可以在放大电路中引入合适的反馈电路，电路图如下图 3-6 所示。 图中，因此经过分析推导可得 4321 RRRR （3-1） 3 R u i i o 推导过程： 由于电路引入了负反馈，A1 构成同相求和运算电路，A2 构成电压跟随器。 且图中=。因此有： 4321 RRRR O R （3-2） 22PO UU （3-3） 22 43 4 43 4 1 5 . 05 . 0 pIpip uuu RR R u RR R u 由图示的运算电路，我们得到： 第三章 系统硬件设计 - 16 - ，代入上式得： 11 1 2 1 2)1 ( ppo uu R R u ，R3 上的电压： Ipo uuu 21 （3-4） IpoR uuuu 213 所以有： （3-5 3 R u i i o ） 3.4.3 电压放大 该部分主要采用了具有放大作用的集成运算放大器，其电路图如图 3-6 所示。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:27-May-2012Sheet of File:C:UsersasusDesktop与与与与与MyDesign2.ddbDrawn By: op07 R0 R1 R2 RL UI UO 图 3-7 压放电路图 电压串联负反馈，与确定后，取决于，与负载 1 1 2) 1(U R R UO 1 R 2 R 0 U I U 电阻无关。 L R 该电路的放大倍数是可以调节和改变的。 例如，要实现 10 倍的放大，则，即保证即可，所以可以101 1 2 R R 9 1 2 R R 取K，K。9 2 R1 1 R 由二级滤波电路部分电路进入负载电路部分后的电压较小，大约在 0V4V 之间，为了便于达到设计中的要求，通过该放大电路可以将电压放大到 第三章 系统硬件设计 - 17 - 0V10V 之间。 3.5 纹波抑制处理 我们所做的设计在纹波方面的设计指标是非常高的。题目中也要达到电流 纹波限制于 2mA 以内的设计要求。为了满足这样的设计要求，我们要想一定 的办法来解决这个问题。 对于本系统中，工频干扰、负载波动和数字调节的过冲噪声等是造成纹波 电流的主要因素。其数字控制系统的数字调节的过冲噪声是必然存在而且不可 避免；所以，我们要从减弱工频干扰与增加负载容量的大小方面上来抑降低波 电流的大小。 1滤波。即在电源端进行系统的滤波。工频干扰最主要是由电源变压器 引入的，因此在电源端进行滤波对抑制工频干扰是十分必要和十分有效的。本 数控直流电流源设计在两个电源方面都在输出端进行了三极管的有源滤波和进 行了附加电容的滤波。 2在电压源部分选择功率足够大的稳压器，高电压供电。在 30W 输出下， 要保证低于 2mA 的电流纹波，稳压器的承受功率必须足够大，电源电压尽量 提高。因此，本设计选用 80W 大功率稳压器 KA7805 和 KA7815，并以 220V 供电。 3我们要考虑到电路板地线问题的处理。我们要遵循各电路板的接地线 都要敷铜来使其加粗，接地时，我们也要遵循一定的原则，即：多点接地、就 近接地。 第四章 系统软件设计 - 18 - 第四章 系统软件设计 4.1 软件设计 根据方案设定的要求和设计精度，我们进行了很好的扩展和创新，重点解 决问题，由于我们在设计中将要求划分为几个相关部分，因此我们实现了 CPU 工作单元对各种任务有了具体分工，不至于使多个需要动态实时控制的变量产 生冲突，使程序结构清晰，大大简化了软件的设计，易于理解，可以将程序设 计中大量工作集中在控制步进精度和显示部分上。 在程序中我们实现了 2mA，10mA，100mA，1000mA 四种步进精度，这 使得我们在电路中选取不同数值电流输出时，可以方便迅速得到所设定的电流 值，具体是通过四个按扭 0，1，2，3 来实现的。我们在程序中也实现了将电 路电流的输出结果较准确显示出来。 主程序流程图示于下图 4-1 中。 开始 初始化 数码管扫描显示 键盘管理子程序 对应事件响应 图 4-1 主程序流程图 第四章 系统软件设计 - 19 - 子程序 1：按键 0 实现选位功能，按键 1 实现步进“+”功能即当前位增值， 程序流程图如下图 4-2 所示。 子程序 2：按键 2 实现步进“-”功能，即当前位减值，程序流程图如下图 4-3 所示。 子程序 3：按键 3 实现控制 A/D 转换，检测输出电流并显示，程序流程图 如下图 4-4 所示。 子程序 4：取数程序，该程序将数码管显示的给定值转换为 PWM 输出， 并且可以改变 PWM 的工作周期，程序流程图如下图 4-2 所示。 开始 该位地址是否为零位 该位加2 该地址是否为OXOA 该位清零 返回 该位地址加1 N Y N Y 图 4-2 选位与步进“+”子程序流程图 第四章 系统软件设计 - 20 - 事件二开始 该位是否为第m位 该位值减二 该位值是否等于nxff 该位赋值0x08 返回 该位值减一 该位值是否等于 0xff 该位赋值0x09 返回 Y N Y N N 图 4-3 步进“-”子程序流程图 开始 四字节非压缩BCD码变为二进制数 双字节BCD码变为二进制数 结果除以二 结果放入CCPICON bit5,4 : CCPR1L 返回 图 4-5 取数子程序流程图 第四章 系统软件设计 - 21 - 事件三开始 当前显示值是 否等于设定值 四位给定值放入寄存器暂存 启动A/D转换 采样八次求平均值 运算得电压值 转换为电流值 双字节压缩BCD码输出 返回 暂存寄存器值 重新装入并显示 N 图 4-4 AD 转换子程序流程图 4.2 软硬件调试 4.2.1 硬件调试 本系统硬件调试主要包括：自制电压源输出电压的调试，光耦部分电流源 的调试，键盘和数码显示电路的调试。 自制电源输出电压的调试：由于在系统设计中要用到 5V 和 15V 两种电压 第四章 系统软件设计 - 22 - 源，对其输出精度和稳定度要求也比较高。本单元采用较好的稳压块，经过两 次滤波，为减少信号干扰，附加了小电容。在输出 5V 电压源电路中用 4004 桥 式整流电路进行整流，附加电容进行滤波，增强了稳定性，用 7805 三端稳压 器进行稳压调整，使输出电压稳定，为保护电源的可靠性和安全性附加了保护 电路。 电流源部分的调试：由于要求输出的电流范围在 200mA2000mA，因此对 输出精度和广度要求较高，为了达到此要求，我运用了二级滤波电路，其他电 器元件参数适合，并经过调试达到了很好效果。 键盘和数码显示电路的调试：该部分调试主要是要与软件密切联系，由于 线路比较复杂，要详细检查各个接口的连线是否连接正确。 4.2.2 软件调试 本系统软件调试包括：选位与步进程序调试，检测与输出显示程序调试， 取数程序调试，主程序调试。 选位与步进程序调试：主要是对按扭 0，1，2 能否实现按扭 0 选位，按扭 1 控制步进“+” ，按扭 2 控制步进“-”功能的调试。 参数检测与输出显示程序调试：主要是对按扭 3 实现检测输出电流并显示 功能的调试。 取数程序调试：主要是对将给定值转换为 PWM 输出功能的调试。 主程序调试：主要是对整个电路控制与准确显示功能的调试。 结 论 - 23 - 结 论 经过一段时间的设计，我的这个关于数控直流电流源的设计终于完成了。 直流电流源是各种电子系统中一种重要的常用电源，可以为各种放大电路提供 偏流以稳定其静态工作点，也可以作为有源负载以提高放大电路的放大倍数， 而且再科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用，例如：在实验教学、 科学研究、自动化测量系统、数据校准系统、多点数据采集系统中，具有广阔 的应用前景。目前，市场上可售的直流电流源很多都满足不了用户的需求，为 了能获得高精度、低纹波、宽范围、稳定可靠、操作方便的直流电流源，我也 尝试着去做数控直流电流源。虽然刚开始时不知道结果会不会做到自己理想的 状态，但还是愿意去尝试。 从开始的对这个直流电流源的不知到后来逐渐去搞懂，真的花了很长时间。 坚持每天都花一些时间去看一点点，做一点点，因为我相信积少成多的原理。 从做这个设计，更让我感觉到了态度决定一切。我也很坚信一点，万事开头难， 只要肯坚持就没有克服不了的困难。 本设计实现了以下功能： 1具有多个量程，用户可根据实际需要选定。 2输出电流值可精确预置,步进小于等于 10mA，最大输出电流 2000mA。 3纹波电流极小，小于 2mA。 4LED 可同时显示预置电流值、实测电流值及当前量程档，便于用户操 作及进行误差分析。 本系统特点有能获得高精度、低纹波、宽范围、稳定可靠、操作方便。创 新点如下： 1选用高精度的元器件，提高了电流的输出精度和输出范围； 2通过系统自带键盘的控制，可根据需要随意设定电流。 本设计的不足之处：由于没有将实际作品做出来，我只能推断在设计中的 功率管工作在不断的导通闭合状态，电路在纹波抑制方面应该还会有一些欠缺。 结 论 - 24 - 在设计中画那些电路图真的有些麻烦，为了画那些电路图我又去温故了一 下以前 EDA 老师给我们提到过的 Protel99se，虽然以前自学过，但是等到要用 时真的很恨自己学得不够精，好多都忘了，不过没关系，肯去再学习温故才最 重要。 参考文献 - 25 - 参考文献 1 李小松一种简易数控直流电流源的设计J科技情报开发与经济，2006 年第 16 卷 第 15 期，280281 2 童诗白，华成英 模拟电子技术基础M高等教育出版社，2003，501550 3 陈明荧 8051 单片机设计实训教材M清华大学出版社，2004 4 朱定华 单片机原理与接口技术M电子工业出版社，2001 年 5 张友德，赵志英，途