数控直流电源--开题报告__毕业设计

1 浙江师范大学本科毕业设计 (论文 )开题报告 学 院 数理与信息工程学院 专业 电子信息工程 学生 姓名 吕志才 学号 07220235 指导教师 楼恩平 职称 实验师 合作导师 职称 论文题目 数控直流电流源的设计 一、选题背景和意义 电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分 ，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性与可靠性指标。而恒流电源是目前应用广泛的一种新式电源装置，恒流电源 以其体积小、重量轻、损耗低、效率高、电路简洁等显著优点而深受人们的青睬，并被广泛应用于计算机设备、航空航天、 仪器仪表、通信设备和家用电器等领域中。近年来，随着电子信息产业的迅速发展，人们对恒流电源的需求与日俱增，恒流 电源的开发与制造已成为了方兴未艾、发展前景十分诱人的朝阳产业。 电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各个行业。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多科学领域。随着计算机和通讯技术发展而带来的现代信息技术革命，给电源技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源技术提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确 度，电源在使用时会造成许多不良后果。世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列产品精度标准，达标后后才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的电源产品才能够获得通行证。数控电源是从 80年代才开始发展起来的产品，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了良好的理论基础，在以后的时间里，数控电流源技术开始长足的发展。 现在市场上 许多 数控电流源存在输出精度不高， 功率密度比较低， 带负载能力不强，体积大，价格较高，操作繁琐，工作状态不稳定等弊端， 因此数控电流源的主要发展方向是针对上述 缺点不断改善。 所以，高精度的数控直流电流源有很大的发展空间。 单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利条件。新的变化技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到 90年代，已出现了数控精度达 0.05V的数控电流源，功率密度已达 50W的数控电流源。从组成上，数控电流源分为器件、主电路和控制电路三 本科毕业设计 （论文）开题报告 2 部分。 本课题主要研究的是基于单片机的数控直流恒流源的设计，恒流源是能够向负 载提供恒定电流的电源， 因此恒流电源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的。例 如在通常的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流会相应减少。为了保证恒流充电，必须随时提高充电器的输出电压，但采用恒流源充电后就可以不必调整其输出电压，从而使劳动强度减低，生产效率得到了提高。恒流源还被广泛用于测量电路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数。并且在差动放大电路、脉冲长生电路中得到了广泛应用。 除此之外，线性扫描锯齿波的获得，有线通信远供电源，电泳、 电解、电镀等化学加工装置电源，电子束加工机、离子注入机等电子光学设备中的供电电源也都必须应用恒流源。 二、国内外研究现状、发展动态 现状： 在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪 60 年代中期开 始形成，到了 90年代以来， 随着对系统更高效率和更低功耗的要求，电信与数据 通信设备的技术更新推动电源行业中直流 /直流转换器向更高灵活性和智能化的 发展方向， 电源产业进入快速发展期。一方面，电源产业规模的发展在加快；另 一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的 研究从吸收消化 和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业涌现了一些技 术难度较大，具有国际先进水平的产品而且还生产了一大批具有代表性的研究成 果和产品。目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。 但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足 :在电源产品的质 量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、 持续创新能力等方面的差距为 10 15年，尤其在实现直流恒流的智能化、网络化 方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和 广州华南理工大 学，主要是利用单片机和可编程系统器件（ PSD）来控制开关直流 稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很 理想，还存在很大的差距和不足。 现今，随着数控直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分路原件和集成电 路发展为微机控制，从而使直流电源智能化，具有遥测、遥信和遥控的三遥功能。 目前，全国的电源及其配件的生产销售企业有 4000家以上，产值由 300 400亿 元，但国内企业销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂 家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但 多限于对输出显示实现数 本科毕业设计 （论文）开题报告 3 码显示，或实现多组数值预置。总体来说，国内直流恒流源技术在实现智能化等 方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。 发展趋势： 目前，电力系统的后备电源、分布式电源系统以及通讯系统的后备电 源等应用场合，均采用大容量的蓄电池作为储能元件。然而，在蓄电池的使用中 需要一个双向 DC/DC 变换器来进行直流功率的变换。一旦电网系统发生故障，蓄 电池通过双向 DC/DC 变换器直接并入直流母线，给后端的用电设备提供能量。当 电网正常工作时，直流母线通过 DC/CD变换器讲电能储存在蓄电池中，而 当蓄电 池作为通讯系统的后备电源时，由于后端的用电设备多以抵押大电流工作，因此 要求蓄电池能够提供一个大而稳定的工作电流。另外，对蓄电池充电时，也必须 进行恒流控制，因此在双向 DC/CD变换器中恒流控制的好坏直接影响用电设备和 蓄电池的使用寿命。随着数字信号处理器（ DSP）技术的成熟，越来越多的功率电 路采用了数字式控制。与模拟控制相比，数字控制具有性价比高、性能稳定等优 点。另外，通过对控制软件的编程，可以很方便的实现电路功能。针对蓄电池等 储能元件在使用过程中功率双向变换的问题，在目前已有的非隔离型双向 拓扑基 础上，提出了一种改进型双向电路拓扑。该拓扑不仅实现了双向电路的恒流控制， 而且解决了双向拓扑中对不同大小电流的采样问题。通过对 DSP软件的编程，还 可以实现对电路的恒流、恒压以及恒功率等控制功能。 针对蓄电池系统在使用过程中的功率变换问题，提出了一种新颖的双向变换拓扑。该拓扑不仅实现了蓄电池功率变换的要求，同时对放电电流和充电电流进行了恒流控制。蓄电池放电时曹勇了降压型电路拓扑，可使负载端电流迅速增大，又很快的动态响应，从而满足抵押大电流用电设备的要求。同时，在对蓄电池进行恒流充电时，通过软件编程， 实现蓄电池的浮充功能，从而延长蓄电池的使用寿命。另外，提出了对双向恒流源电路的全数字控制方案。 随着电子技术的发展，恒流源已经广泛地应用在各个领域。目前市面上较成熟的 恒流源输出或者在 mA 量级，或者在百安培量级，不能满足所有输出段位的需求。 许多输出电流不是很大、要求稳定度和输出精度较高的恒流源还是由使用者自行 研制的。恒流源在现代化工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳 定性好、使用灵活的方向发展。急于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积 小、精度高、稳定性好、可扩展等优点，输出电流范围在安培 量级适用于小型电 动机、线圈等的驱动。但还需要通过实验做进一步深入的研究，这对于恒流源的 发展具有相当现实的意义。 而且数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的 不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节，有效 的解决了电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大的提高 了生产效率和产品的可维护性。 本科毕业设计 （论文）开题报告 4 三、研究的内容及可行性分析 课题研究内容： 1 设计一款 稳定性好、精度高、输出可预置的直流电流源 。 2. 数控直流电流源设计的具体参数要求： （ 1）输出电 流 范围 ： 20mA 2000mA； （ 2） 可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值小于等于给定值的 1 +10 mA； （ 3） 具有“ +”、“ -”步进调整功能，步进 10mA； （ 4） 改变负载电阻，输出电压在 10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的 1 +10 mA； （ 5）纹波电流 2mA； 课题可行性分析 本课题 准备 采用 AT89C52作为数控直流电流源的控制核心 , 为了实现 电流设置、控制、输出、测量和显示。该数控直流电流源由电流源模块、测量模块、数控模块、显示模块构成。电流源模 准备块采用 集成运放 和大功率复合管构成的闭环电压深度负 反馈电路。测量模块准备 由双积分型高精度 A/D来测量取样电阻上的电压值进而转化为电流值来完成。数控模块准备以 单片机为核心控制高精度 D/A的输出电压送入电流源模块，可完成对输出电流的小步进控制。 通过键盘输入给定值，由 D/A转换器将数字信号转换成模拟信号，经 D/A输出电压作为恒流源的参考电压，用中文液晶显示输出。 本设计的系统原理框图如图 1所示。 图 1 系统原理框图 采用 AT89C52单片机作为整机的控制单元，通过改变 D/A的输入数字量来改变本科毕业设计 （论文）开题报告 5 输出电压值，从而 使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流通过取样电阻转换成电压，并经过 A/D转换器 (MAX197)进行模 /数转换，间接用单片机对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。 1. 键盘与显示电路 使用单片机作为这一控制的核心，单片机与键盘相连，采 用查询方式，由键盘控制输入电流，同时也由键盘进行控制其步进调整功能。显示器 LCD 选用 1602B，具有体积小、 质量轻、功耗低等优点，单片机四条数据线与其相连，数据分两次传送；两条控制线 E、 R/S控制 LCD的显示。 键盘与显示电路原理图如图 2所示。 图 2 键盘与显示电路 2. 如何实现 D/A、 A/D 的转换 根据课题要求输出电流范围为 20mA 2000mA、步进为 1mA，需要至少有 1980个状态 2n 1980， n 11，为了达到系统的控制精度，选取 12位 D/A。具体电路接口如图 3所示。 图 3 D/A 转换电路 D/A 转换器选用 TLV5618，它是串行输入可编程双路 12 位 D/A 转换器。该 器件仅有 8个引脚，但精度可以达到 0.5mV。 AT89C52 单片机控制它只需要三个引脚，D IN1S C L K2CS3O U T A4AGND5R E F I N6O U T B7VDD8D P J 3T L V 5 6 1 8V IN1VOUT2GND3NC4NC5NC6NC7NC8D P J 4M C 1 40 3V C CV C C1 0KR E S 1P 35P 36P 37本科毕业设计 （论文）开题报告 6 非常方便。该芯片内部有两个 12 位 CMOS 电压输出 DAC，双缓冲结构使双路输出（ OUTA和 OUTB）可同时更新， +5V单电源工作。选典型参考电压 2.048V，输出电压公式为： Vo=2 V ref （ n/2048） （ 3-1） 其输出电压范围为： 0 4.096V。 A/D转换电路如图 4所示： 图 4 A/D 转换电路 A/D转换器选用 MAX197芯片， MAX197一种通用 A/D芯片，可以和多种微机接口，在此选用 AT89C52 单片机作为主处理器。通过 AT89C52的 P0.0P0.7 与 MAX197的 D0D7相连，既用于输入 MAX197的初始化控制 ，也用于读取转换结果数据。 A/D转换器 (MAX197)将采样电阻上的电压转换成数字信号反馈给单片机，单片机将此反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就形成了反馈调节，提高输出电流的精度。同时， A/D采样回来的电流经过单片机处理传送到 LCD，显示当前的实 际电流值 。 四、论文拟解决的关键问题及难点 1如何实现恒流 该模块主要功能是把由 D/A 输出的电压 通过 V/I 转换电路构成 线性转换成输出电流， 通过深度电流串联负反馈电路 保证输出电流有很高的稳定性，如图 5 所示。 本科毕业设计 （论文）开题报告 7 -2+36741 85J 11O P 07C 2 7 1 U FR92+ 15 V-1 5 V123J 13C O N 3-2+3674185J 17O P 07-1 5 VC 2 50 .1 U FC 2 64 .7 U FC 2 84 .7 U FC 2 94 .7 U FC 3 2 1 U FC 3 51 0u f+ 15 VC 3 3 0 .1 UC 3 44 .7 U F12J 12负载接口-2+36741 85J 18O P 071J 19C O N 1+ 15 VC 3 6 0 .1 U FC 3 74 .7 U F-1 5 VC 3 0 0 .1 U FC 3 14 .7 U Fa di nQ19 01 4Q23 D D 15O U T A 由 D/A 输入 图 5 直流电流源电路 电流源模块主要是把 D/A输出 电压作为恒流源的参考电压，运算放大器 PO07与晶体管 Q1， Q2组成的达林顿电路构成电压跟随器。用晶体管平坦的输出特性即可得到恒流输出，因此电流源具有较好的稳定性。 本电流源的电压 /电流转换及 V/I转 换是将 D/A输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。 一般来说， V/I转换电路是通过负反馈的形式来实现的，可以使电流串联负反馈，也可以是电流并联负反馈。本设计采用的是电流串联负反馈电路。 为使 A/D 反馈给单片机的电压更加精确，取样电阻必须保持恒定，温度变化系数很小，所以 取样电阻 R9采用大线径康铜丝制作，康铜丝温度系数很小（频率精度为 5 102/），大线径可以使其温度影响减小至最小。 U4的同向端输入电压为 V2，反相 端的反馈电压为 V1，流过 取样电阻 R9的电流：IE =92RV （ 3-2） 复合管的放大倍数为两个三极管 放大倍数数值之积，输出电流即集电极电流 IO =IC Ie =92RV （ 3-3） 本科毕业设计 （论文）开题报告 8 对于理想运算放大器，同相反相间得压差为 0，即： V1=V2 （ 3-4） 所以输出电流与输出电压间的关系： I=91VR （ 3-6） 五、研究方法 根据题目要求，该 数控直流电流源由数控模块、显示模块 、电流源模块、测量模块 构成。 1电流源模块 电流源模块 采用基于运算放大器和晶体管构成的电流深度负反馈电路。该方案不仅在电路中引入了深度电流负反馈，可以保证输出电流具有很高的稳定性。而且电流源所需要的控制电压由高精度 D/A 转换器（ TLV5618）提供，以实现输出电路的小步进调节。该方案如图 6所示。 图 6 电流源模块设计原理 2数控与显示模块 采用以 AT89C52 单片机为核心的单片机最小系统。单片机系统具有灵活的接口和在线编程的能力，容易实现题目中的有关键盘设 置、显示以及测量功能等。 3测量模块 测量模块是由双积分型高精度 A/D 来测量取样电阻上的电压值进而转化为电流值来完成。 A/D转换器 (MAX197)将采样电阻上的电压转换成数字信号反馈给单片机，单片机将此反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就形成了反馈调节，提高输出电流的精度。 综上所述，系统总原理框图如图 7所示。 本科毕业设计 （论文）开题报告 9 图 7 系统原理框图 采用 AT89C52 单片机作为整机的控制单元，通过改变 D/A 的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发 生变化，间接地改变输出电流的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流 通过取样电阻 转换成电压，并经过 A/D转换器 (MAX197)进行模 /数转换，间接用单片机 对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁， 而且采用高精度 A/D 转换器对取样电阻上的电压值进行采样反馈给单片机，与预置值进行差值比较，调整D/A输出电压，这样就形成反馈调节，使输出电流更加精确， 能很好地满足题目的要求。 六、论文的进度安排 2010 年 11 月 2010 年 12 月 ： 查阅相关文献资料， 可行性分析，总体方案初拟； 2010 年 12 月 2011 年 01 月 ： 撰写开题报告，方案论证与修改 ， 电路原理图设计； 2011 年 01 月 2011 年 03 月 ： 数控直流电流源的制作与调试并对数据结果分析； 2011 年 03 月 2011 年 04 月 ： 毕业设计论文书写，毕业论文修改，毕业论文定稿； 2011 年 04 月 ： 毕业设计结题 答辩。 AT89C52 单片机 D/A 转换电路 A/D 转换电路 液晶显示电路 键盘控制 电路 V/I 转换电路 调整电路 取样电路 电