（精密仪器及机械专业论文）基于Labview的高精度程控LED驱动源的研究与实现.pdf

中文摘要 摘要 l e d 发光二极管以其体积小、寿命长、驱动电压低、反应速度快、抗震性 佳、耗电少、发热低、色彩纯度高等特性，已广泛运用于生产和生活的各个领 域。白光l e d 发光二极管的面世，被誉为下一代照明工业的主流。l e d 光电色 综合性能参数是l e d 的主要技术指标；l e d 光电综合性能的准确快速的测量对 l e d 研发，制造和品质具有重要意义。l e d 光电多参数检测设备是对l e d 光 性能与电性能的测试和筛选，要求其l e d 电流驱动电路具有高精度和高稳定度 的特性。 本文根据高精度高稳定度要求，设计出了一款高精度程控l e d 驱动源。设 计的核心是利用闭环反馈原理来稳定输出电流。比较输出电流的检测数据与电 流设定值，结合工作环境温度的检测参数、以p c 为程序控制器、l a b v i e w 虚拟 仪器软件为开发平台，控制程序将通用计算机与硬件电路结合来完成输出电流 和工作环境温度的采集、计算分析、显示和控制等功能。电路与软件控制的结 合，从根本上可提高高精度高稳定度驱动源的性能，能够保证控制的高精度， 较大提高高精度高稳定驱动源的智能化程度。操作简单，界面友好。 本l e d 驱动源具有设定准确、输出电流稳定、控制精度高等特点。电路系 统由两大部份组成：压控电流源电路；p c 机软件控制系统。前者是驱动源 的核心，起着电流调节、抑制纹波电流的关键作用；后者则有设定驱动源输出、 改善电流调节精度和稳定度、消除小电流输出的非线性等作用。 本文拟介绍高精度高稳定度驱动源的主要性能指标，分析影响驱动源稳定 度的各种因素，说明驱动源电路设计过程中不同设计方案，还论证适用于l e d 多参数检测设备的l e d 电流恒流源驱动器的一种可行性方案及其设计过程和实 验结果。 关键词：l e d 发光二极管，高精度，高稳定度，程控恒流源，l a b v i e w 英文摘要 a b s t r a c t l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ， w h o s ef e a t u r e sa r es m a l ls i z e ，l o n g e v i t y ，l o w d r i v ev o l t a g e ，r e a c t i o ns p e e d ，a n t i s h o c kg o o d , l e s sp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wf 舒c e r , a n dh i g hc o l o rp o n t y ，e t c ，h a sw i d e l yb c c nu s e di na l lt h ea s p e c t so f p r o d u c t i o na n d l i f e l e da p p e a r sa st h em a i ns t r e a mo fl i g h t i n gi n d u s t r yi nt h en e x tt i m e s ， e n j o y i n g t r e m e n d o u sp o p u l a r i t yi nt h ew o r l d l e d so p t i c a l ， e l e c t r i c a la n dc o l o ri n t e g r a t e d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ei t sm a j o rt e c h n i c a li n d i c a t o r s ；t h ea c c u r a t ea n df a s t m e a s u r e m e n to f l e d so p t i c a l ，e l e c t r i c a la n dc o l o ri n t e g r a t e dp e r f o r m a n c ei so f g r e a t i m p o r t a n c et oi t sr e s e a r c h ，p r o d u c t i o n ，a n dq u a l i t y l e d sm u l t i - p a r a m e t e rt e s t i n g e q u i p m e n tc a l lt e s ta n df i l t r a t ei t so p t i c a lp e r f o r m a n c ea n dd e c t r i c a lp r o p e r t i e s ，a n d r e q u i r e sl e d sc u r r e n td r i v ec i r c u i tt oh a v ef e a t u r e so f h i g h - p r e c i s i o na n dh i 曲一s t a b i l i t y t h i sp a p e rd e s i g n sah i g h - p r e c i s i o np r o g r a mc o n t r o ll e dd r i v es o u r c e ，a c c o r d i n g t ot h eh i g h - p r e c i s i o na n dh i g h - s t a b i l i t yr e q u i r e m e n t s t h ed e s i g nc o r ei st ou s ec l o s e d l o o pf e e d b a c kp r i n c i p l et os t a b i l i z eo u t p u tc u r r e n t t h ep a p e rc o m p a r e so u t p u tc u r r e n t t e s td a t aw i t hc u r r e n ts e tv a l u e ，l i n k sw o r ke n v i r o n m e u tt e m p e r a t u r et e s td a t a ，u s e s p ca sp r o g r a mc o n t r o l l e r ，l a b v i e wv i r t u a le q u i p m e n ts o f t w a r ea sd e v e l o p m e n t p l a t f o r m ， a n dc o n t r o lp r o g r a mt oc o m p l e t eo u t p u tc 牡r r e u ta n dw o r ke n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r ec o l l e c t i o n ，c a l c u l a t i o n ，a n a l y s i s ，d i s p l a y ，e t c b yc o m b i n i n gg e i l e r a l c o m p u t e r 嘶t hh a r d w a r ec i r c u i t t h ec o m b i n a t i o no f c i r c u i tw i t hs o f t w a r ec o n t r o lc a n c o m p l e t e l yr a i s et h ep e r f o r m a n c eo fh i g h p r e c i s i o na n dh i g h - s t a b i l i t yp o w e rs u p p l y ， e i l s u r ec o n t r o lh i g h - p r e c i s i o n ，a n db e t t e rr a i s eh i g h - p r e c i s i o ns t a b i l i t yd r i v es o u r c e i n t e l l i g e n td e g r e e t h eo p e r a t i o ni ss i m p l ea n df r i e n d l yi n t e r f a c e t h i sl e dd r i v e rs o u r c eh a st h ef e a t u r e so fs e ta c c u r a c y ， o u t p u tc u r r e n ts t a b i l i t y ， c o n t r o lh i g h - p r e c i s i o n ，e t c t h ec i r c u i ts y s t e mi sc o m p o s e do f t h et w op a r t s ：( 王) v o r a g e c o n t r o lc u r r e n ts o u r c ec i r c u i t ；p cs o f t w a r ec o n t r o ls y s t e m t h ef o r m e ri st h ec o r eo f d r i v es o u r c ec i r c u i ta n dt h ek e yf u n c t i o n so fc u r r e n tr e g u l a t o ra n dr e s t r a i n i n gr i p p l e c u r r e n t ；t h el a t t e ri st h ef u n c t i o n so fs e t t i n gd r i v es o u r c oo u t p u t ，i m p r o v i n gc u r r e n t r e g u l a t o r p r e c i s i o na n ds t a h i l i t y ,e l i m i n a t i n gs m a l lc u r r e n to u t p u tn o n l i n e a r ， e t c t h i se s s a yi n t e n d st oi n t r o d u c et h em a i nf u n c t i o n sa n dt a r g e t so fh i g l l p r e c i s i o n a n dh i g h - s t a b i l i t yd r i v es o u r c e ， a n a l y z et h ev a r i o u se l e m e n t so f a f f 龇gd r i v es o u r c e s t a b i l i t y ， s t a t et h e & f f e r e n tp l a n so fd r i v es o u r c ec i r c u i tp r o c e s s ，a n dd i s c u s sa f e a s i b i l i t yp l a nf o rl e d sm u l t i - p a r a m e t e rt e s t i n ge q u i p m e n tl e dc o n s t a i u tc u r r e n t i l i 重庆大学硕士学位论文 s o u r c ed r i v i n gd e v i c e ，a n dd e s i g np r o c e s sa n de x p e r i m e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ；h i g h p r e c i s i o n ；h i g h - s t a b i l i t y ；p r o g r a mc o n t o l c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e ；l a b v i e w i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位：雳缇期：卅锄严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文储躲瘤饿 签字日期：劫刁年多月牛日 导师躲锄墨 签字日期： 7 年月4 日 l 绪论 1 绪论 1 1l e d 的发展现状与市场前景 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ；l e d ) 是半导体材料制成的组件，为一种微细 的固态光源，可将电能转换为光，其发光原理是在一正偏二极管p n 结处，自由电 子与空穴发生复合作用，因自由电子由高能阶掉到能量较低的价带时，释放出能 量而产生光与热，其不但体积小，且具有寿命长、驱动电压低、反应速率快、抗 震性佳、耗电少、发热少、色彩纯度高等特性。1 9 6 2 年，当第一只发光二极管( l e d ) 作为照明手表的附件刚一问世，就立即被看作是一场技术革命1 。自1 9 9 4 年起， l e d 以新型可见光材料为主流，实现了高亮度和多色化。加工封装技术的改进、 显示信息的大屏化，开拓了l e d 的新应用领域。4 0 多年来，通过科研人员的不懈 努力，l e d 的性能不断提高，应用领域不断扩展，呈现出朝阳工业欣欣向荣的景 象。随着蓝光l e d 的开发，亦使得l e d 显示屏得以全彩化，再加上白光l e d 的 相继推出，更被誉为是下一代照明工业的主流m 。 l e d 信号指示和显示应用发展到照明应用，具体应用主要在如下方面： 公路和铁路交通信号灯和交通信息显示板 结合平面费涅耳透镜，在透镜焦点处放置1 0 多只l e d ，从而制成信号灯，可 得光强2 0 0 0 e d 3 0 0 0 e d 的红色或黄色光，4 0 0 0 c d 的绿色光。超高亮度的红光、 荧光和绿色等l e d 光源具有亮度高、光响应速度快、抗震耐冲击、省电、寿命长， 在浓雾和日光下可视性高等优点，在公路和铁路上的应用近几年取得显著进展。 用作航海和水路标志 当电流为2 0 m a 时的发光强度的典型值为1 5 c d ，辐射角按需要可从4 0 士l o ， 2 0 0 士5 0 到5 0 0 士5 0 ，若配以圆柱形费涅耳透镜，可视距离可达5 1 0 公里。 可供涂敷透明图案板的正文或象征符标照明用，以及电力网远距离传输系 统指示器。 研制的红外波段l e d 族，可用于遥控、自动化和医疗装置。 在直径o 7 5 l n m 的塑料光纤中作为红光和黄光l e d ，其中心波长为 6 5 0 r i m 和5 9 2 n m ，作用距离达1 0 0 m ，数据传递速率为1 0 m b i t s 。这种通信线路的 特点是：可靠性高，寿命不低于2 5x 1 0 4 小时，工作温度从一4 0 + 7 0 ， 通信线路价格比用玻璃或石英纤维的低。光通量达到5 1 5 1 m 。 汽车车灯的应用 汽车使用的白炽灯不耐振动、撞击，极易损坏，所以使用寿命短。在高位刹 车灯，方向灯，车边标示灯，车内顶灯都可用高亮度红色和黄色l e d 代替白炽灯。 重庆大学硕士学位论文 l e d 作背景光源 l e d 作为l c d 的背景光源，具有寿命长，发光效率高，无干扰和性价比高等 优点。在电子手表、手机、b p 机、电子计算器、刷卡机及车内仪表照明等领域广 泛应用。随着便携式电子产品日趋小型化，le d 作背景光源更具优势。在手机中 选用l e d 作背景光源，促进背景光源技术向更薄型、低功耗、均匀一致方向发展。 发光效率达( 5 0 7 0 ) ，并且有绿、红、兰光及各种混合光可供选用，不久还可能 出现厚度与场致发光管( e l ) 相同的超薄背景光源。 全彩色显示屏 近年来，随着高亮度四元l e d 和高亮度兰、绿光l e d 的工艺技术的不断进步， 产量不断增加，实现了大型全彩色显示屏的推广应用。目前户外广告显示屏，大 型演唱会和运动场馆中都纷纷设置大尺寸全彩色显示屏。 照明光源的开拓应用 随着l e d 在高亮度和多色化方面取得进展，l e d 的发光效率已超过白炽灯， 而且得到了超高亮度的日光色，从而预测l e d 将成为2 1 世纪的照明光源。 l e d 照明技术正处于一个迅速发展的阶段，发光效率不断改善，根据海兹定 律，每1 8 到2 4 个月单个l e d 封装器件输出的光通量将翻一倍。现在白光l e d 的 发光效率已达到白炽灯2 倍以上，到2 0 1 0 年将超过荧光灯，到2 0 2 0 年将达到荧 光灯的2 倍，届时l e d 将成为全球照明的主要光源。 节能是l e d 最大的特点。中国照明用电约占总电量的1 2 ，保守估计2 0 1 0 年我国总发电量将达到3 0 0 0 0 亿度，照明用电将达到约3 6 0 0 亿度，如能节约一半 的照明用电就是1 8 0 0 亿度，相当于两个三峡电站的年发电量。 从全球市场来看，目前l e d 主要的应用领域在移动设备的背光源上。而在突 破高亮度技术瓶颈后，景观照明和通用照明领域将成为耀眼的“明星”。 目前，我国l e d 产业已形成四大产业集群雏形。在上海已经集聚了几十家l e d 企业，主要有上海蓝光科技有限公司( 与北京大学合作) 、上海蓝宝光电材料有限公 司( 与中科院物理所合作) 等。 在广东集聚了几百家l e d 企业，主要有深圳方大国科、佛山国星光电科技公 司、广州普光等。 在福建及江西积聚了近百家l e d 企业，主要有厦门三安电子、厦门华联电子 有限公司、江西福科信息材料有限公司、江西联创光电科技股份有限公司等。 在北京及大连等北方地区，特别是北京，研发的优势明显，拥有我国最强的 l e d 研发力量，如中科院半导体所、中科院物理所、清华大学、北京大学等。企 业主要有北京睿源固态照明公司、北京长电智源科技公司、大连路美芯片公司、 廊坊鑫谷光电等。 2 1 绪论 “十一五”规划强调提高能源效率和加强环境保护，将重点向环保新能源领 域倾斜，根据“十一五”规划，未来我国将开展十大节能工程，其中绿色照明，推广 高效节电照明系统将是一个重要内容。 在未来，世界各国将在超高亮度和全彩色技术方面重点投资。我国( 包括台湾 和香港) 将成为世界上l e d 的主要产地，预计占世界总量的六成以上。其中超高亮 度l e d 会有3 0 的速度增长。 由于许多色别的l e d 的光强目前均达到烛光级水平，相信随着器件结构的改 进，发光效率的飞速提高，今后l e d 发展的主流将是照明光源，l e d 有可能成为 2 l 世纪的主体照明光源。 世界光电电子产业的发展推动l e d 应用领域的变化发展。随着产业的扩大， 会有更多的资金投向l e d 的研究和生产，现有超高亮度，兰色和绿色l e d 的技术 垄断局面将会被打破，从而使产品成本大幅度下降，促进市场的再开发，应用的 再拓展。 1 2 高精度稳定电源的现状及发展趋势 稳定电源按工作原理可分为稳压源和恒流源。电子设备的发展方向是高精度、 高稳定性和可靠性，对设备的能源部件一电源也相应地提出了更高的要求p j 。在 稳定电源里面，鉴于理论和工艺等多方面的差异，通常按稳定度划分为普通稳定 电源和高精度稳定电源。普通稳定电源是许多电子设备和实验室必须具备的部件 或设备，其稳定度大约在1 o 1 范围。高精度稳定电源也是一种具有稳定控制 的二次电源，它和普通稳定电源的区别在于其输出电压( 或电流) 高度稳定，稳 定度优于1 0 0 p p m ( 万分之一或l x l 0 4 ) ，在目前的高精度稳定电源中，输出稳定度 最高达0 0 0 1 p p m ( 十亿分之一或l 1 09 ) l 叶j 。 二十世纪六十年代以后，有了新的发展。首先是空间技术、控制技术和测量 技术的实际需要，随着优质振子的自稳零放大器、光电放大器、电流比较仪等臻 于完善，直至约瑟夫森效应在技术上的成熟应用，加上材料和工艺的进一步提高， 把高精度稳定电源技术推上了新水平。短短的十几年间，高精度稳定电源在许多 方面不仅仅能够取代传统蓄电池，而且在容量和性能上远比蓄电池优越，功能更 完善，逐步形成高精度稳定电源这一现代电源技术分支p j 。 进入2l 世纪，信息技术一日千里的发展，高精度稳定电源也必将经历由模拟 高精度稳定电源向数字高精度稳定电源过渡的这一历程特别是计算机技术的发 展必将出现智能化技术。如何把数字技术和智能化技术用于高精度稳定电源就将 成为2 1 世纪的新课题。而具有数字技术和智能化设计的电源也必将成为2 1 世纪 高精度稳定电源的发展方向。 3 重庆大学硕士学位论文 1 3l e d 检测技术与驱动源 随着l e d 应用的多元化，在其光性能与电性能的测试筛选上，自然较以往严 格许多，试想，在一块显示看板上所使用的l e d ，若其彼此的光电特性差异过大， 将造成各点亮度与颜色的不同，降低了整体均匀度，而影响呈现的品质，如此可 见l e d 在品管测试上的重要性。 发达国家都非常莺视l e d 测试方法及标准的研究。例如美国国家标准检测研 究所i s t ) 组织国际知名测试专家开展l e d 测试的研究，重点研究l e d 发光特性、 温度特性和光衰特性等测试方法，试图建立整套的l e d 测试方法和技术标准，在 l e d 测试方面已经走在了世界的前列。日本成立了“白光l e d 测试研究委员会”， 专门研究照明用白光l e d 的测试方法和技术标准。世界发达国家为了抢占l e d 研 究的制高点，在l e d 标准和测试方面都投入了大量的人力物力，在标准方面注重 选择l e d 的特性参数及测试方法的研究。 在我国，半导体发光二极管测试方法目前尚无相应的国家标准，因此在不同 的生产厂家以及用户之间经常产生很大争议。近年来，中国光协光电器件专业分 会陆续组织了多次的半导体发光二极管测试方的学术研讨和交流，业界人士逐步 形成较为统一的认识，并制定了统一的行业标准s j t 2 3 5 5 2 0 0 5 “半导体发光二极 管测试方法”，在行业内的产品交流、对比中发挥了重要作用。该标准不仅采纳了 c i e l 2 7 1 9 9 7 “m e a s u r e m e n to fl e d s ”的方法，同时结合照明用功率型白光l e d 的发展需求，增加了显色特性、结温等参数的测量方法，为照明l e d 产品的发展 提供了极为重要的依据。 在检测仪器开发方面国际上，美国、德国和日本等国家在l e d 的检测仪器方 面起步较早，并形成了一定的特色。在国内，近年来l e d 的检测仪器发展非常迅 速，已逐步研发成功了从l e d 芯片、发光材料、l e d 管、l e d 灯和灯具等产业的 上、中、下游各个环节的检测仪器，包括实验室研发用的检测仪器、生产线上的 自动检测和分选设备以及产品的品质检验用仪器。测量指标包括：光谱、光度、 色度、辐射、电参数、热阻、可靠性和寿命等参数。 在l e d 检测仪器中，l e d 的驱动电流源的性能高低对检测参数准确性起着重 要的作用。l e d 驱动源是恒定电流工作方式，通常也称之为恒流源，恒流源是科 研、航空航天、半导体集成电路生产领域中一种很重要的电子设型“，它通过电学 反馈控制回路，直接提供驱动电流电平的有效控制，由此获得最低的电流偏差和 最高的输出稳定性。 所谓恒流源，即对应于一定的电压及温度变化所产生的电流变化趋于零，电 流是一个恒定值，有很高的动态输出电阻，具有这种特性的电流源电路称之为恒 4 1 绪论 流源。为保证检测参数的稳定，驱动恒流源必须高稳定、高可靠、高输出质量。 一般的恒流电流源往往是固定的一种输出电流值，或仅有几档电流值，不便 于通用川。为适 立l e d 检测，恒流源不仅具有较高稳定度和电流输出准确度1 8 】。而 且恒流源输出电流应设计为可调输出。为保证输出电流的精度，普遍采用数控调 节，一般称为程控恒流源。 1 4 程控恒流源方案论证与比较 方案的选择对设计并制作程控恒流源至关重要，综合国内外资料，通常采用 以下方案： 恒流源方案选择 1 ) 采用恒流二极管或者恒流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流 范围很小，只能达到十几毫安，不能达到本设计的要求。 2 ) 采用四端可调恒流源，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电流达 到可调的目的，这种器件能够达到l 一2 0 0 0 毫安的输出电流。改变输出电流，通常 有两种方法：一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法不能满足本设计的数 控调节要求；二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的 目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，所以很难准确调节输出电流。 3 ) 程控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电 流的大小。电压控制电路采用程控的方式，利用程控机送出数字量，经过d a 转换 转变成模拟信号，再送到大功率兰极管进行放大。程控机实时对输出电流进行监 控，采用数字方式作为闭环反馈调整环节，由程序控制功率管的输出电流恒定。 当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统 一直在设定值而维持电流恒定。该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功 能的实现，便于操作。 稳流部分 程控恒流源的稳流电路主要采用负反馈方式，通常有两种方法： 1 ) 内环反馈 在稳流部分加入一个负反馈，在d a 输出电压值之后与基输出电压相比较，根 据误差信号，运用电路负反馈原理降低误差，使输出性能较理想。电路连接图如 图1 1 所示： 5 重庆大学硕士学位论文 心a a 屣一 i 一 程控机 图l 1 内环反馈框图 f i g1 1b l o c kd i a g r a mo f i n s i d ec l o s e d - l o o pf e e d b a c k 2 ) 双闭环控制 在内环反馈基础上再加上一个外部的负反馈。如图1 2 所示，即把输出后电压 值经过a d 转换之后，再与设置电压值相比较，通过程序调节d a 控制电压稳定输 出电流，然后经过内环反馈，进一步控制电压稳定输出电流，即经过了两次负反 馈过程。理论上讲这种方案比单独内环反馈要更精确。 图1 2 双闭环反馈框图 f i g1 2b l o c kd i a g r a mo f i n s i d e a n de x t e r i o rc l o s e d - l o o pf e e d b a c k 电源部分 1 ) 开关电源 开关电源，由2 2 0 v 交流整流后，经开关电源稳压输出。该方案的优点是电路 的效率较高，可以达n 7 0 - - 8 0 ，在电联接较好的情况下效率可以达蛩j 9 0 左右。 但是此方案产生的直流纹波和干扰较大，而且开关电源结构复杂，在以后的电路 中很难加以控制，很可能造成设计的失败和技术参数的超标。 6 1 绪论 2 ) 线性电源 交流电压经桥式电路整流滤波输出，直接进入稳流电路。这种方案的优点是， 电路简单，容易实现，并且调试起来比较方便，只是功率损耗稍大，但是在这种 小型非连续工作电源中这些功率损耗可以承受。 程控机部分 1 ) 采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用c p l d 等 可编程逻辑器件。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展， 对信号处理比较困难。 2 ) 采用单片机作程控机。单片机的具备运算能力，软件编程。有些单片机自 带d a 、a d 电路，这使得单片机程控机体积小，适宜于作独立的程控恒流源。虽 然采用单片机为核心，能够实现对外围电路的智能控制，但在基于p c 机综合仪器 中使用单片机，有控制复杂和成本高的弱点。 3 ) 采用p c 机( 即微型机) 作程控机。p c 机功能强大，不仅运算能力强，软 件编程灵活，灵活性度大，而且支持多任务工作。可使用多种语言或编程平台编 程。适宜于作对多信号采集和多控制输出的控制机。适合对于设计是基于p c 机的 综合仪器。 1 5 程控恒流源研制的目的和意义 随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化， 数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的 关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离 不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的性能更 好。基于此，人们对程控恒定电流设备的需求越来越迫切当今社会，数控恒压 技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步且有待发展， 高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。本设计是为重庆重点 科技攻关项目l e d 多参数检测设备研制的一种基于p c 机的高精度的程控l e d 电 流驱动源。本程控电流驱动源性能的优劣直接关系到l e d 参数测量的准确性。该 系统基于虚拟仪器技术，采用p c 机下l a b v i e w 程序控制使输出电流稳定，输出 电流可在l m a 2 0 0 m a 范围内任意设定，不随负载和环境温度变化，并具有很高 的精度和稳定度。 1 6 本设计研究内容和技术路线 本设计研究内容为： 高精度恒流源温漂控制：由于半导元器件的温度特性，温度漂移是影响高 7 重庆大学硕士学位论文 精恒流源电流稳定度的重要因素，在恒流源电路设计中，对晶体管和检测取样电 阻的温度漂移的研究，是保证电流稳定度的重要环节。 恒流源输出的程序控制：使用p c 机作控制机，采用虚拟仪器技术，以 l a b v i e w 编程平台设计输出电流反馈控制程序，充分发挥虚拟仪器技术功能强 大、界面友好的特性。 本设计研究的技术路线为： 1 ) 根据设计参数选择合适的电路设计方案：以p c 机作控制机，电路选运算放 大器+ 复合三极管( 达林顿管) ，对采样电阻和温度进行数据采集，应用闭环反馈 方法，通过l a b v i e w 程序控制。 2 ) 选用温度漂移系数小的元器件，对晶体管及采样电阻的温度漂移采用软件补 偿方法，最大限度地抑制温度漂移。 3 ) 通过实验，对晶体管和取样电阻的温度漂移数据分析，找到温度与之的关系， 为编程提供依据。 以l a b v i e w 对电流输出及反馈进行编程，最大限地削弱温度对输出电流 稳定度影响，设计出界面友好，输出调节方便的程序。 8 2 程控恒流源原理与参数 2 程控恒流源原理与参数 2 1 概述 作为直流恒流源的应用，要满足各种测量需要和达到一定的测量精度，而且 应是可调的。随着电子计算机技术的飞速发展和应用日益普遍，各种智能仪器应 运而生，所以直流恒流源的“程序控制”就显得十分重要。所谓“程控”，就是由计算 机或是由cpu 芯片组成的检测系统通过程序来进行控制。 程控直流恒流源就是计算机控制电流大小的直流恒流源。本质上讲程控直流 恒流源就是数控直流恒流源，因为计算机在程序控制下输出的是数字量，恒定电 流的大小与数字量大小成线性关系【9 】。 2 2 恒流源的定义 “恒流源”这个术语，原则上是指这样一种稳定电源：它输出的电流与其负载无 关。实际上，大多数恒流源是用电子电路实现的，而且仅当外部条件在一定的范 围内变化时，才能保持输出电流基本不变。 一个理想的直流恒流源将产生一个与其两端电压无关的恒定电流。理想直流 恒流源的符号如图2 k a ) 所示，图2 1 ( b ) 为其伏安特性。它是一条和电压轴平行的 直线，并截电流轴于1 8 。理想恒流源的特征方程为：i _ i s i i s l 6 a l b 图2 1 理想恒流源伏安特性 f i g2 1v ic h a r a c t e r i s t i c so f i d e a lc o n s t a n tc u r r e n ts o g l t z u 由图2 1 ( b ) 可见，不管恒流源两端的电压数值多高，它的电流始终固定为i s 因 此理想恒流源的等效内阻为无穷大。或者说，它可以输出无穷大的电压。还可以 看到，单由恒流源我们不能确定它两端的电压，而只能确定它的电流值i s 。恒流 源两端的电压必须根据它所接的外电路来确定。理想恒流源也是不存在的，实际 9 重庆大学硕士学位论文 恒流源的设计者和制造者只能力求接近这种特性。图2 2 为恒流源模型 ii l i “忡臣； 图2 2 恒流源模型 f i 9 2 2c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c em o d e l 2 3 程控恒流源工作原理 通常恒流源由受控三极管构成三极管的输出伏安特性曲线较为平坦时，在固定控 制极电流或电压条件下，输出极电流随电压变化极小，从而呈现为近似电流源特 性。 2 3 1 电压电流转换原理 晶体三极管本身就具有恒流特性，从晶体三极管的共射极输出特性可以看出，在 放大区内，当i b 确定以后，i c 基本恒定，而与比e 的大小基本无关如图2 3 所示，动 态电阻r c e = a u c f f a i 。，其值很高，一般可在几千欧至几百千欧，而在静态工作点上 所呈现的直流电阻尺c e = u c e o 比。却很小，一般为几百欧至几千欧。【1 0 】 醍魄 图2 3 晶体管共射极输出特性 f i g2 3t r a n s i s t o r sc o n l m o ne m i t t e ro u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s 由于三极管具有恒流的特点( 如图2 4 所示) 。当基极电流厶为某个定值，且v c e l o 2 程控恒流源原理与参数 在一定范围内时，集电极电流如= 胁可以近似地认为不随压, v c e 而变即可以 把图2 4 r 矽电路看作一个电流源，可用图2 4 何模型表示我们知道要使电流源的 输出电流而恒定饵日恒流，那么内阻r o 应为无穷大但三极管的集电极电流尼是 受口值和基极电流五控制的，也有一定的值，故它的恒流特性较差，因此必须 采用辅助电路加以稳定输出电流而和增大内阻内。【1 1 】 a 图2 a 三极管的恒流特性 f i g2 ac o n s t a n t - c u r r e n tt r a n s i s t o rc h a r a c t e r i s t i c s 在实际电路中采用图2 5 电路： 图2 5 晶体管恒流电路 f i g2 5t r a n s i s t o r sc o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i t 如图2 5 所示，这是运放控制下由三级管集电极输出的优质单向电流源电路。在图 示条件下，负载电阻r l 上获得的电流为三极管t 的集电极电流i o 。三极管t 的集电 极电流i o 和发射极是电流i s 的关系为： 重庆大学硕士学位论文 i o i s 因为： i s = u s r s 所以： i o u s r s 由于反馈环节中使用了运算放大器，反馈环路的环路增益加大，反馈深度加大， 因而较一般的电流串联负反馈三级管电流源性能指标有较大提高，是一种优质电 流源电路。这一电路的输出阻抗已十分接近理想无穷大( 可达1 0 0 0 m h z 以上) 。由于 输出电流与输入控制电压u i 直接相关，同时运放的失调与u i 对输出电流有同样性 质的影响，因而输出电流的稳定性取决于受控制电压u i 的稳定性及运放的失调漂 移，选择高稳定度的基准电压源作为控制电压，并选用低漂移运算放大器，是提 高本电路输出电流稳定性的有效途径。本电路用以输出单向电流，改用p n p 型达林 顿三极管，并改变工作电源极性，可改变输出电流极性。 1 2 1 2 3 2 电压数控原理 在压控恒流源中，改变输入控制电压u i 即可改变其输出电流，为达到电压数 控的目的，需将数字控制信号通过d a 数模转换电路转换成模拟电压。数模转换 分辩率直接决定输入控制电压的精度。例如，对于1 2 位的d a 数模转换电路其分 辩率为2 “= 4 0 9 6 。 设d a 转换器的参考电压为v v w ，若数字量为d ，d a 转换输出的模拟电压为： u i = 旦v r e f 。 ( 2 1 ) 4 0 9 6 选择参考电压v r e f 5 v ，采样电阻r s = l f 2 。当输入数字量加1 ，模拟增加量： a v = 二x 5 = o 0 0 1 2 2 1 v = 1 2 2 1 m v ( 2 2 ) 4 0 9 6 、 则输出电流变化： ：坐：1 2 2 1 m v ：i 2 2 1 m a( 2 3 ) 兄，l 2 即d a 数模转换电路数字输入量每增加数值1 ，恒流源输出电流增加 1 2 2 1 m a 。若将d a 数模转换电路的位数增加1 位，d a 数模转换电路数字输入 量每增加数值l ，则恒流源输出电流将变为原来的1 2 ，即o 6 1 0 m a 。 为了实现数控的目的，可以通过程控机控制d a 数模转换电路的模拟量输出， 从而间接改变电流源的输出电流。从理论上来说，通过控制d a 数模转换电路的 输出等级，可以达到高精度的电流输出。然而这只是理想情况，实际电路由于种 种原因，实际输出电流不会完全等于理论计算值，此时电流反馈控制起了关键作 用。程控机通过分析a d 转换的数值，得到电路实际输出的电流大小，对d a 数 模转换电路的给定数字量进行调整，使得输出电流大小更精确。 2 程控恒流源原理与参数 2 3 3 输出电流采样及放大反馈原理 输出电流从采样电阻r s 上得到一个，由于采样电阻阻值比较小，在该电阻上 的压降相应也小，为了提高系统控制的精度，采用一级运算放大器对采样电压进 行放大，将反馈电压放大到a d 转换电路的全量程范围内，再送到a d 转换电路 进行d 转换。 从a d 转换电路得到的数据由程控机进行分析、比较处理，然后输出控制数 据，经d a 转换电路将数字信号转换成模拟电压u i ，从而控制电流输出单元以达 到反馈控制的目的。如图2 5 所示 图2 6 输出电流采样及放大反馈框图 f i g2 6b l o c kd i a g r a mo f o u t p u tc u r r e n ts a m p l i n ga n df e e d b a c kt oe n l a r g e 2 4 恒流源的主要技术性指标 实际恒流源的输出电流i o 通常是输入电压u i ，负载电阻r l 和温度t 的函数。 一般地表示为： i o = f ui ，r l ，t 】 ( 2 4 ) 由于在恒温的条件下，输出电压u o 可由负载电阻r l 值决定，即有u o = i o * r l ，因而输出电流对负载电阻r l 的依赖关系可以用输出电压u o 的依赖关系 来表示，于是( 2 4 ) 式可改写成： i o = f ui ，u o ，t 】 ( 2 5 ) 当输入电压、输出电压和环境温度发生微小变化时，输出电流的变化量可表 示为： ao=丝ui+丝*auo+丝at*atouio u o ( 2 6 ) 其中a i o ：输出电流的变化量 a u i ：输入电压的微小变化 a u o ：输出电压的微小变化 t ：环境温度的微小变化 丝。丝，型翌而是表示恒流源性能优劣的主要参数，现分别说明如下 1 3 重庆大学硕士学位论文 1 稳流系数s i 定义：在负载和环境温度保持不变的条件下，输出电流的变化量与输入电压的 变化量之比称为恒流源的稳流系数，并以s i 表示。 在图2 7 中，令r l = r l s 、t _ t s ，若输入电压在规定值u i s 处发生一微小变化 a u i ，相应的输出电流变化a i o ，其比值： = f t 丝1 ( 2 7 ) , a u o 、7 即为恒流源的稳流系数。恒流源的稳流系数是一个转移因子，单位是西门子 ( s ) 。 实际上常以电压调整率来表示电源电压对输出电流的影响。它的定义是：负载 和环境温度为定值时，输出电流自身的相对变化量与输入电压的相对变化量之比 值，记作s i u ，即： s i u = a i o l o s l 曙 己妇 ( 2 8 ) 通常以输入电压波动士1 0 时，输出电流的相对变化量来表示电压调整率。 显然，s i u 是一个无量纲的参数，其值越小越好。 上述s i 和s i u 的定义不一样，但都表示一个恒流源克服输入电源电压变化的 能力。 、i。rl=rta t f f i t t l j i + a 1 0 半， t r 一u i 7 1 + u i 7 l 图2 7 恒流源的电压调整特性 f i g2 7c o n s t a n tc u l t c n t $ o u i c cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ev o l t a g ea d j u s t m e n t 2 输出电阻r o 定义：在输入电压和环境温度保持不变的条件下，输出电流的变化量和输出 电压的变化量之比的倒数称为恒流源的输出电阻( 即等效内阻) 并用r o 表示。 1 4 2 程控恒流源原理与参数