毕业设计（论文）-数控直流电流源的设计`.doc

毕业论文（设计） 第 II 页摘 要 本系统设计了一种具有高精度的，低纹波数控直流电流源。所有数字电路选用CMOS数字电路，实现了“+”。“”步进调整功能，降低给定电流与实际电流的偏差。运用合理的电路结构，降低了负载调频整率；降低由于电源电压变化对输出电流所产生的影响。设计通过数码显示电路、直流电流源电路、双时钟可预置计数器步进控制电路、0mA和3000mA上、下限逻辑控制电路。运用双时钟可预置数步进可逆计数器CD40192的计数向上和计数向下功能完成，即加进位、减退位步进调整电流值功能。采用比较器控制继电器通/断完成直流电流源的各种输出值的设定。该实验具有可靠性好，精度高等优点。关键字：低纹波数控、CMOS数字电路、数码显示电路、直流电流源电路、双时钟可预置计数器步进控制电路、步进可逆计数器CD40192 目 录一、 绪论01（一） 问题的提出01（二） 本论文的目的与意义02二、 理想的解决方案03三、 系统硬件的设计05（一） 恒流源的实现05（二） 手动设置电路和步进控制电路11（三） 驱动控制电路15（四） 自制电源部分16（五） 预置电流值的上、下限逻辑控制电路17（六） 元器件选型19四、 系统软件的设计19（一） 调试方法和过程19（二） 性能指标测试与测试数据20（三） 程序流程图22五、 结束语23（一） 结论23（二） 难点分析23（三） 难点误差原因分析24（四） 系统说明书24六、 致谢26七、参考文献26黑龙江工商职业技术学院毕业论文（设计） 第 30 页第一章 绪论一、问题的提出1国内外研究现状从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。早在90年代中，半导体生产商们就开发了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处于劣势，因而无法被广泛采用。由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。现今随着直流电源技术的飞跃发展，整流系统由于以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制，从而使直流电源智能化，具有遥测、遥信、遥控的三遥功能，基本实现了直流电源的无人值守。2本文研究的主要内容、目标与方法直流稳压电源是最常用的仪器设备，在科研及试验中都是必不可少的。针对以上问题，我们设计了一套以低纹波数控直流电流源，所有数字电路选用CMOS数字电路，实现了“+”。“”步进调整功能，降低给定电流与实际电流的偏差。运用合理的电路结构，降低了负载调频整率；降低由于电源电压变化对输出电流所产生的影响。设计通过数码显示电路、直流电流源电路、双时钟可预置计数器步进控制电路、0mA和3000mA上、下限逻辑控制电路。运用双时钟可预置数步进可逆计数器CD40192的计数向上和计数向下功能完成，即加进位、减退位步进调整电流值功能。 本次研究一种以低纹波数控直流电流源为核心的简易设计，该电源选用CMOS数字电路，实现了“+”。“”步进调整功能，降低给定电流与实际电流的偏差，输出精度高，特别适用于各种有较高精度要求的场合。二、本论文的目的与意义1在条件下尽可能的实现如下目的（1） 通过合理设计，尽可能降低纹波电流，达到要求的电流变化范围；（2） 采用合理的方案，实现“+”、“”步进调整功能，降低给定电流与实际电流的偏差；（3） 通过采用合理的电路结构，降低负载调整率；（4） 降低由于电源电压变化对输出电流所产生的影响；（5） 完成满足设计需要的电源设计。2. 本次设计的意义 直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用与教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源电源功能简单。难控制、可靠性低、 干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多，但均存在以下二个问题：1输出电压粗调（波段开关）及细调(电位器)来调节。这样，当输出电压需要精度输出，或需要在一个小范围内改变时（如1.051.07V），困难就较大。另外随着时间的增加波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。2稳压方式均为是采用串联型稳压电路，对过在进行限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳压的直流电源供电。但在实际生活中，都是220V的交流电网供电。这就需要变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容组成。若有晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻起重量，且晶体管滤波直流电源不需要直流稳压器就做能用的家用电器的电源，这既降低俩用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术的突飞猛进，现代工业应用的工控产品需要有低纹波、宽调范围的高压电源，特别是在一些高物理领域，急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调范围的电源。第二章 理想的解决方案 数控电流源要求输出电流2A以下，输出电压不高于10V，要求数字控制。对于这道题，各个参赛队都有各自的解决方案，但从整体框架倾向于采用D/A控制恒流源的方案较多。事实上，如果利用输出电压可调的集成稳压器就可以非常好的实现这个设计，很容易就可以输出电压可调的集成稳压器做成精度极高的恒流源，剩下的问题就是你是否想到这样的就决方案。以下就是这两种方案的论证比较，读者可以通过论证横两个方案的可行性。方案一采用单片机控制D/A实现恒流源部分电路的组建，方案如图所示。图1 单片机设计数控直流电流源 单片机控制是在软、硬件结合的情况下实现的。运用此方案存在以下几个问题：软件编程的复杂性，硬件D/A的位数及响应速度受限，输出精度不高，更为主要的采用单片机控制，很容易就会将噪音引入到扩流功能的输入端，使的将其噪声信号放大，从而产生较大的输出纹波。这对于本命题中对纹波参数控制较为严格来说，再输出电流精度要求很高的情况自自下，不是很理想的一种解决方案。 方案二数字电路设计数控直流电源如下图所示。该方案的核心部分是计数器构成步进控制电路，由拨码开关可以实现其预置功能，通过计数器的加减计数功能实现步进控制。另外，计数器的输出为BCD编码格式，可以很方便的连接数码管驱动控制电路，实现显示功能。也正是利用了计数器输出BCD编码格式，可以用输出电压可调的集成稳压器分别做成精度极高的恒流源，利用继电器切换组合不同点流质的恒流源实现不同输出要求的电流值，具体的固定恒流源电路共有以下14种：1mA、2mA、4mA、8mA、10mA、20mA、40mA、80mA、100mA、200mA、400mA、800mA、1000mA、2000mA。这样做不仅精度高，而且控制方式简单，抗干扰能力强。 数字电路设计数控直流电流源方案比较： 比较两种方案，后一种方案有以下几个特点：不用考虑软件编程复杂性及软件和硬件的兼容性，精度很高。稳定性强不易受到干扰，纹波抑制比较高。也不存在方案二中需要BCD码向二进制码转换的问题。同时，由于题目是数控制流电流源，并且有精度的步进值要求，因而不适合采用普通的串联或并联的线性稳压电源合开关电源。否则难以达到步进要求和控制要求。在数字电路中，由于结构简单集成度高，可以容易实现精确的递增、递减的预置功能控制。由于没有采用单片机，便没有了单片机工作时的干扰问题，因此电路的输出是非常干净的。另外，由于各个恒流源单元相互独立，互不干扰，可以很容易实现极细微电流。也就是说，不需要更多调整就可以实现发挥步进1mA功能。第三章 系统硬件设计一、恒流源的实现解决方案可以有如下两种。（1）每个恒流源输出电流固定的解决方案如果不计成本，可以采用多只LM317实现，按8-4-2-1码和毫安、十毫安。白毫安、千毫安的方式分别用LM317实现2mA、4mA、8mA、10mA、20mA、40mA、80mA、100mA、200mA、400mA、两个400mA 和六个500mA的恒流源。其中，1A和2A的恒流源分别采用2只和4只500mA的恒流源并联实现，这样做的好处不仅可以降低集成稳压器的最小输入/输出电压差、减少集成稳压器的功耗，而且较小的输出电流检测电阻比较容易弄到，电路板造成的电压降，也可以减小。由于LM317在一般状态的最小不可控的电流约1.2mA。因此，1mA挡只能采用晶体管恒流源的方式。通过0.5级电流表或0.2级电流表在对1mA、2mA、4mA、8mA、10mA、20mA、40mA、80mA、100mA、200mA、400mA 、800mA1000mA、2000mA的恒流源分别用1mA 、2mA、5mA、10mA、10mA、20mA、50mA、100mA、200mA、500mA 、1000mA、2000mA进行校准，可以获得至少5甚至更高的精度。在这里各恒流源值为电流表满量程的80%以上，从而使电流源的精度得到保证，如果测试电流低于测试量程的一半，测试电流源的精度得不到5的精度。 与每一个LM317相连的电阻的阻值的具体计算如下： LM317基准电压值1.25V，其输出电流为I0,则所需串接的电阻为Ri(i=1，2，3，) 即：Ri=U基准/I0（i=1,2,3, ）由此理论计算得到的电阻见下表。 可调稳压挂接的点组织列表输出电流I0（mA）相应的输出电阻值（）1125026254312.58156.25101252062.54031.258015.62510012.52006.254003.125（400+400）(3.1250+3.125)（500+500）(2.50+2.50)（500+500+500+500）(2.50+2.50+2.50+2.50)各挡电流的切换：考虑易实现性和较大的电流，切换开关选用小型继电器或微型继电器。继电器的控制可以采用晶体管开关或LM319（四比较器）驱动，一般情况下，在12V供电条件下的驱动电流小于20mA。 根据以上思路分析，恒流源如图所示，图中给出各输出电流恒流源的测试电阻参数。 恒流源电路图中，继电器触点K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11、K12、K13、K14分别控制2A、1A、800mA、400mA 、200mA、100mA、80mA、40mA、20mA、10mA、8mA、4mA、2mA、1mA 恒流源是否接入。这样的1mA2A的任何电流值都可以用上述电流源的组合实现。下图中电路的输出电压范围，为输出电压减电流源电阻电压（1.25V）和集成稳压器的输入/输出电压差（约2V）,共计3.25V。因此，最低输入电压至少要高于3.15V（实际上这种状态下没有输出电压范围，电路将失去意义）：最高输入电压似乎为LM317的最高输入电压为40V,实际上受LM317的安全工作去的限制，在输出短路状态下，0.5A输出电流的最高输入电压仅为35V（实际上这个电压已经足够了）,高于这个电压，受可调输出电压集成稳压器LM317的安全工作去的限制，这种情况下输出电流将得不到保证。 下图中电路的继电器触点由继电器激磁线圈是否通过（足够的）电流决定，这个继电器的激磁线圈可以用晶体管控制，起点如图所示。 图中晶体管集电极与电源之间接的方块代表继电器的激磁线圈，方块中的数字与字符与受控的触点相对应；图中的第一排电路为1A、2A继电器的激磁线圈，对应拨码开关的1和2，由于仅需要2A，故3以上的码可以锁定，仅仅使用1和2。第二行。第三行。第四行则分别对应百毫安、十毫安、毫安挡位对应的电路，各激磁线圈对应的接在8、4、2、1拨码开关的8、4、2、1的端子上，拨码开关的公共端接12V电源正端。最简单的方法就是将继电器的激磁线圈直接接在拨码开关上，这样电路就更简单了。由于没有单片机，所以没有了单片机工作时的干扰，因此电路的输出就是非常干净的。 切换电路（2）切换恒流源检测电阻的解决方案 恒流源固定电流输出的方案尽管可以得到及其精确的输出电流，所付出代价是所应用的集成稳压器数量比较多，为了减少集成稳压器的数量，每个电流数量级可以用一个集成稳压器，用继电器控制电流检测电阻的方式，可以选用8-4-2-1的方式选择电流检测电阻。这种方式对于100mA一下的电流源是比较容易做到的，这是因为电流检测电阻值比较大（12.5以上），PCB和继电器的寄生电阻可以忽略。而400mA以上的恒流源则最好是采用固定电流的恒流源的方式。图为切换恒流源检测电阻的恒流源主电路的解决方案。 切换恒流源检测电阻的恒流源主要电路的解决方案图中的继电器触点K1、K2、K3、K4、分别为安、百毫安、十毫安、毫安量程电流的转换触点，而K11、K12、K21、K22、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K43、K44则分别为各量程内的电流设置触点。在实验时采用每个恒流源输出固定的解决方案，只要准备调整各个恒流源单元，就可以实现基本功能要求。（二）手动设置电路和步进电机（1） 手动设置部分本部分采用按键开关进行预置值设置，即在CD40192的预置输入端与拨码开关（BCD码编码格式输出）相连，实现电流预置功能。由于预置输入由CD40192的预置端控制，在预置端设置电流时，先将预置端PL加上4个复位按键进行预置。当电路刚接通时，如果按下个位、十位、百位、千位预置转换按键（4个按键）中的某一位时，再按下09的BCD转换按键，即可对该位进行预置值设置。用8个按键进行个、十、百、千各位的手动增一和减一的操作。为了避免产生抖动脉冲，按键经过两个六施密特触发器40106进行抖动。同时，由于预置电流值上下限电路的限制，使预置的电流值只能在03000mA之间显示。 手动设置电路和步进控制电路如图所示。 手动设置电路和步进控制电路（2） 步进控制部分利用本系统中的双时钟可预置数同步可逆计数器来完成赠数控制和减数控制，即简单又实用。其控制过程如下：该电路的核心是CD40192，完成0099的计数功能。设有8个按键开关分别实现对个位、十位、百位、千位的手动增一功能和减一功能。（如按下对十位增一操作或减一操作的按键，则可对当前的预置数值进行增10mA或减10mA）。平时按键不被按下时，保持低电平使各个CD40192的计数加进位、计数减退位无效。当按下某个按键时，并且不被加禁位电路或减禁位电路限制时，各个CD40192的计数加进位或计数减退位便出现个上升沿使手动预置进位或退位有效。则可进行增一或减一；增十或减十；增百或减百；增千会减千，实现步进功能。若有加禁位输出或减禁位输出，为低电平，使CD40192的计数加进位、计数减退位无效。即：在电流预置设定时，使之在输出零值之后，不能再进行减一操作，出现负值；在输出3000时再不能进行加一操作，出现大于3000的电流值。但本系统实际电流输出值可达到3999mA。范围则为03999mA。（三）驱动控制电路由于采用的是小型继电器或微型继电器，对于其驱动电路就可以不采用传统的三极管驱动继电器或MOS管驱动继电器，而是直接利用比较器驱动继电器，通过CD40192DE 输出值与比较器LM339正向输入端的电压进行比较，达到驱动继电器的目的，进行实现控制设定恒定电流源的输出值。比较器的高输入阻抗可以实现很强的抗干扰功能。 如果产生驱动继电器的电平信号高于正向输入端的电压，则驱动继电器闭合，使对应有输出恒定电流质的LM317输出相应的电流值（入驱动器LM339将连有输出值为20mA的LM317上的继电器闭合，则输出电流值20mA）。若产生驱动继电器的电平信号低于正向输入端的端电压，将不能驱动继电器。驱动控制稳定电流源硬件连接图如图所示。 驱动控制稳定电流源硬件连接图（四）自制电源部分 自制电源部分主要能够给稳压电路及部分集成电路（包括运放集成电路和数字集成电路）的供给电源。输出为+15V。这部分常采用电源电路中包括变压器降压、桥式整流、电容滤波、三端稳压集成带电路稳压环节。此电路设计的作用是：降低电网纹波对电路的影响，其电路如下图所示。 自制电源电路（五）预置电流值的上、下限逻辑控制电路为了保证在03000mA之间显示，即：使之在输出零值时，不能在进行减一操作，在输出3000时再不能进行加一操作。因此，对CD40192的14位的输出端和所有的CD40192的计数向上位、计数向下位进行；逻辑运算。其具体过程如下：将手动拨码对千位、百位、十位、个位上进行增一（减一）的逻辑反向输出，分别表示个位、十位、百位的CD40192的进位（错位）输出端和表示对加进位（退进位）输入限制的输出位，这三者逻辑与，表达式如下： CPU=SDZTCUADIS CPU=SDJTCDDDIS 注：逻辑表达式中的符号具体含义如下 表示低12位的输出 Q10Q11Q12Q13Q20Q21Q22Q23Q30Q31Q32Q33Q40Q41：表示CD40192的14位的输出；ADIS：表示对加进位输入限制的输出位，即ADIS=Q10+Q11+Q12+Q13+Q20+Q21+Q22+Q23+Q30+Q31+Q32+Q33+Q40+Q41即分别表示个位、十位、百位、千位的CD40192各位的输出端的逻辑或关系；DDIS：表示对减退位输入限制的输出位，即DDIS= Q40Q41即表示千位上最高两位的逻辑与非关系；TCU：分别表示个位、十位、百位的CD40192的进位输出端；TCD：分别表示个位、十位、百位的CD40192的借位输出端；SDZ：表示手动拨码对千位、百位、十位、个位上进位增一的逻辑反向输出；如下图。 0mA和2000mA上、下限逻辑控制电路SDJ：表示手动拨码对千位、百位、十位、个位上进行减一的反向输出；CPU：分别表示千位、百位、十位的CD40192计数加进位的输入端；CPD：分别表示千位、百位、十位的CD40192计数减退位的输入端；为了防止输出电流降低到0mA时，减计数器继续工作可能出现的突然变化到最大的电流；以及为了防止电流降低到2000mA时，加计数器继续工作可能出现的突然变化到零的电流，需要设置0mA和2000mA上、下限逻辑控制电路，如图上所示。（六）元器件选型 三端可调正输出电压稳压器 LM317伺服比较器 LM339三端可调分流基准源 TL431 高频小功率二极管 IN4148可预置加/BCD减计数器（双时钟） CD40192 NPN管/PNP管电容 C1电阻 2.5 3.125 5 6.25 12.5 15.625 31.25 62.5 125 156.25 312.5 625第四章 系统软件设计（一） 调试方法和过程对于逻辑板的测试，运用在线测试的方法。即：将14个输入端子、CD40192的14位输出端和所有的CD40192的计数向上端口、计数向下的端口接上相应的电平，满足逻辑板的工作条件。当使输入端子设定为0mA，再做减一操作时，想高位借位，若输出端电压为低电压时说明逻辑正确；当使输入端子设定为3000mA，再做加一操作时，向高位进位，若输出端电压为低电平时说明逻辑正确。同理，让双时钟可预置数同步可逆计数器步进控制电路与显示板相连，而且在两块板各自满座工作的条件下，将4个数码管输入的端子给予译码输入，看显示数值是否正确。若译码输入与显示的数值一样，则说明显示板能正确工作。将系统整体搭接起来，开始按下按键送初值，看显示初值，测后级电流源输出的电流值，比较测试值与设定值的大小，看电流的设定值与测试值的绝对偏差、电流变化的绝对偏差、纹波电流值等参数是否符合要求。（二）性能指标测试与测试数据对系统测试的结果说明如下：按1mA 、2mA、4mA、8mA、10mA、20mA、40mA、80mA、100mA、200mA、400mA、800mA、 1000mA、2000mA的电流设定值的顺序，分别在空载、最大无偏差负载电压、10V负载电压3种情况下对每个设定值测3次。其测试参数有测试电流、测试负载电压、负载电阻，见下表。性能指标与测试数据（1）设定电流（mA）测试电流（mA）测试负载电压（V）负载电阻（）11.020.146119.969010600110.810220229.67721.84105100440449.68043.8102500880889.677887.61012501010010109.684109.6841010202020020209.686201.96105064040040409.6724038.5102508080080809.65580731012810010001001009.558100951010020020002002009.558200187105040040004004009.668400385102580080008008009.6538007501025100010000100010009.65810009401010.3200020000200020009.75820001.88105.1 性能指标与测试数据（2）设定电流值（mA）负载电压（V）峰峰值（mV）负载电阻（）纹波电流（mA）200588241.8（三）程序流程图结束语（一）结论在设计制作数控直流恒流源的过程中，我们深切体会到，实践是理论运用的最好检验。本次设计是对我们三年所学知识的一次综合性检测和考验，无论是动手能力还是理论知识运用能力都得到了提高，同时加深了我们对网络资源认识，大大提高了查阅资料的效率，使我们有充足的时间投入到电路。数控直流电流源可以实现以下功能：1.输出电流范围：20mA2000mA； 2.具有“+”、“-”步进调整功能，步进1mA或10mA；3.显示输出电流的装置 (交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的0.1+3个字；4.改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，输出电流变化的绝对值输出电流值的0.1+1 mA；5.纹波电流0.2mA； 本系统的研制主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、大功率电源设计、电子工艺等多方面的知识，所设计的基于单片机程序控制的压控恒流源，达到了题目要求。在数据测试和调试方面，由于仪表存在误差和电路器件因工作时间过长温度升高而产生的误差，使得测量数据不是很精确，本系统就此通过软件设计，减少误差的存在，使输出电流的误差范围减小到5mA，大大提高了系统的精度。（二）难点分析 在恒流源的设计与制作过程中，本方案遇到的主要难点在于如何减少纹波，通过仔细研究与分析，确定要使纹波尽可能小，需要运算放大器的电源和输入端信号要稳定，因此对运算放大器我们采用独立电源供电，保证了放大器有稳定电源电压，进而使输出较小的纹波电流成为可能。然而，当将控制电路与主电路结合在一起时，输出纹波电流的增大又成为一大问题。这是由于控制电路的输出有纹波，加到运算放大器的输入端将纹波放大，导致输出电流纹波加剧，为解决这一问题，我们在运放输入端并联电容，以达到滤波的目的，从而较好的解决纹波问题。除了上述功能外，实现方案只需搭建好数字逻辑器件，完成逻辑关系。我们还考虑了其他功能，手动设置电路和步进控制电路、驱动控制电路、自制电源以及散热性能的加强，由于时间与资源的限制没有实现，另外，有些功能的实现方式还有待于进一步优化。（三）难点误差原因分析系统误差产生的原因，主要有：1.集成运算的非理想和温漂产生的误差；2.采样水泥电阻受温度的影响产生的误差；3.输出电流端子和电压测量端子；4.纹波对电流输出的影响； 采用屏蔽的方法、远离容易产生势骚动或脉冲工作方式的器件、减少IC供电电源的纹波等可减少由IC外部干扰产生的纹波。对选择低噪声的运放是解决问题的一种方法，但不幸的是大多数产品目录中均未列出噪声指标。根据少数运放的该项指标知道，其低频噪声(0.110Hz)电压的峰-峰值为(0.120V),因此，选择满足1x10-6稳定度要求的运放也不是很容易的。另外，在输出接近低频直流时，运放的失调电压和失调电流也是产生低频噪声的源泉，特别是失调电流，在选择运放时亦应注意。运放的非理想和理想的原因。消除高频噪声可采用交流负反馈来提高运放的交流放大倍数和拓宽频带，但将造成增益降低。解决的办法是在运放前加一级晶体管或场效应管的差分级，由于分离元件便于精选，故可改变整个比较放大器的噪声指标。（四）系统说明书本设计实现的事数控直流电流源。设计分为4个模块：数码显示电路、直流电流源电路、双时钟可预置数计数器步进控制电路、0mA和3000mA上、下限逻辑控制电路。运用双时钟可预置数同步可逆计数器CD40192的计数向上和计数向下功能完成，即加进位、减退位步进调整电流值功能。采用比较器控制继电器通/断完成直流电流源的各种输出值的设定。CD40192直接数码显示电路可同时显示电流值。3000mA和0mA上、下限逻辑控制电路是保证输出电流在0mA3000mA范围内。输入设备如下：各功能按键见下表。可预置按键和各个位选