数控电流源设计毕业论文.doc

数控电流源设计毕业论文目录摘要I第一章 绪论11.1设计目的和意义11.2设计技术及现状11.3设计内容3第二章 设计任务及要求42.1设计任务42.2设计技术要求及技术指标4第三章 系统设计53.1技术路线53.2设计思想53.3总体方案论证53.3.1 恒流源电路设计方案53.3.2控制电路设计方案63.3.3显示电路设计方案63.3.4 键盘设计方案63.3.5电源设计方案63.3.6系统设计方案7第四章 硬件设计84.1 恒流源电路设计84.1.1恒流源电路结构84.1.2恒流源原理84.1.3恒流源电路器件选型94.2.数控电路设计104.2.1数控电路结构104.2.2数控电路原理104.2.3单片机的选型114.3 D/A转换电路设计134.3.1 D/A转换电路结构134.3.2 D/A转换电路原理134.3.3 D/A转换电路器件选型134.4 A/D转换电路设计164.4.1A/D转换电路结构164.4.2 A/D转换电路原理174.4.3 A/D转换电路选型184.5显示模块设计224.5.1 显示电路结构224.5.2显示电路选型224.6键盘电路设计244.7电源电路设计254.7.1电源电路结构254.7.2稳压电路原理254.7.3电源电路器件选型264.7.4系统电源电路抗干扰措施28第五章 软件设计305.1主程序设计流程305.2 程序设计325.2.1按键扫描325.2.2 A/D采样程序33第六章 设计总结35参考文献36外文翻译37AD7705英文原文37AD7705中文翻译52致谢67附录68附录一：程序代码68附录二：元器件清单7876第一章 绪论1.1设计目的和意义随着电子技术的不断进步对电子仪器的要求不断提高，电源作为电路的动力源泉扮演着越来越重要的角色，不论是学校实验室还是维修中心都离不开试验电源，但是传统的电源不论在控制精度还是输出特性上都不能满足要求。首先从精度上来看传统电流源的调整大多采用旋转电位器的方式，在调整时电流值主要从电位器的刻度读出，容易产生读数误差。从可操作性上看传统电流源电位器上的刻度有限，读出范围不大，不可能非常精细，仅仅靠电位器上的几个刻度，对操作者的技巧要求比较高，同时误差也比较大。由于单片机技术的不断发展和D/A元件的普及使得数控电源成为可能，数控电源不论是在控制精度还是在可操作性上都有传统电源无法比拟的优势，由于单片机使用的普遍化，使得数控电源与传统电源的成本日益接近。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，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控电流器件的需求越来越迫切。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技术的才刚刚起步有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大地发展空间，因此通过数字控制恒流源的设计对于厂商乃至我国的数控直流源产业有着重要意义。1.2设计技术及现状数控电源是从80年代才真正的发展起来的，器件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一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的特点。因次，数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术电压转换模块的出现为其精确数控电源的发展提供了有力的条件。新的变换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到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从90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灵活和智能化方向发展。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，及如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。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，全国的电源机器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，但多限于输出显示实现数码显示，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。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变换器将电能存储在蓄电池中，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，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。由于数控电源管理的更广泛使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。随着电子技术的发展，数字电路应用领域的发展，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流源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的欲求越来越迫切，由于板载电流管理的更广泛的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”的产品。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有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大地发展空间，本文正是应用社会发展的要求，研制出的一种高性能的数控直流电流源。现今随着直流电源技术的飞跃发展，整流系统有以前的分离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、遥控三个功能。基本实现了直流电源的无人值守。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制电路等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都能为旋钮开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。数字化智能电源模块式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数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。 1.3设计内容本课题通过努力设计出一款高精度的数控电流源，科学仪器和电子设备中经常用到稳定性好、精度高、输出可预置的直流电流源。高性能的数控直流电流源步进能够提高科学仪器的稳定性，本设计电流源能够很好的降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差，输出电流在20mA2000mA可调，输出电流可预置、具有“+”、“-”步进调整、输出电流信号可直接显示等功能。硬件电路以AT89C52单片机为控制核心器，构成闭环控制电路，采用压控电流方式实现稳流输出，步进为10mA，通过D/A控制压控电流步进，A/D采样电压值，软件算出电流的测量值。系统主要由键盘输入，控制处理、压控电流输出、液晶显示等功能模块组成。第二章 设计任务及要求2.1设计任务在现实生活中，人们经常要用到电子器件，而电子器件要正常工作，电源的作用是不可忽视的，电源性能的好坏，对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带感性负载的电路和设备中，对电源的性能要求更高。在做毕业设计时主要完成的任务是熟悉设计题目，查阅相关文献和科技资料。熟悉题目过后完成系统的总体方案设计，其中包括方案论证与确定、技术可行性分析、技术经济性分析等内容。在设计控制电路时先学习相关单片机，了解单片机的工作原理。再进行整个系统的硬件设计和软件设计，这其中的工作包括理论分析、设计计算、芯片及元器件选型等内容。在完成以上工作时就进行画程序流程图和程序的编写。最后撰写设计说明书，绘制电路硬件接线图。2.2设计技术要求及技术指标1、本次设计的数控电流源输出电流要按照一定的步进电压变化，设置单片机控制端，设有LED/LCD，对设置电流，步进电流，当前电流进行显示，设置必要的保护和指示。2、主要技术指标：（1）输出电流范围：20mA2000mA；（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5%10mA；（3）具有：“+”、“-”步进调整功能，步进值10mA；第三章 系统设计3.1技术路线随着单片机的日益成熟，其稳定性不断提高，价格不断下降使得数控电流源成为可能，从原理图来看，数控电流源和传统电流源相似。不同的是数控电流源是由单片机控制的D/A提供参考电压，取代了传统电流源的电位器，使得不论是在控制精度还是使用寿命上都有很大的提高。另外单片机具有可编程性，可以进行更为复杂的控制，如输出特定的波形，和电脑通讯，实现智能化控制等，这些功都是传统电流源难于实现的。经过多年的发展，传统电流源的电流控制电路已经相当成熟，在用D/A替代了电位器以后，其性能有了很大的提高。本课题所研究的数控电流源应包括如下模块：电流源模块、测量模块、供电模块和数控模块等。电流源采用集成运放和大功率复合管构成的闭环电流深度负反馈电路。单片机控制高精度D/A的输出电压送入电流模块，可完成对输出电流的步进控制。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。3.2设计思想本设计采用AT89C52单片机作为整机的控制单元，通过D/A转换将预定值经V/I转换得到恒定电流，同时通过A/D转换送单片机.为了能够使系统具备检测输出电压值的大小，在V/I后进行电流采样，间接用单片机实时对电压的采样，然后进行数据处理及显示，在电路中引入深度电压反馈使输出更加稳定。采用软件方法来解决电流的步进控制，键盘输入采用4*4阵列进行信号的输入，通过按键来设置步进值，并可由LCD(12864)液晶显示实际输出电压值和电压设定值。比较设定值与实际值的差距，如果设定值与实际检测值不相等，则控制D/A转换器补偿电流值。利用单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（TLV5618）芯片，实时把模拟量转化为数字量，经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的电压源。 3.3总体方案论证 3.3.1 恒流源电路设计方案方案一：采用压流变送器XTRIIO。这种方案会使恒流输出十分稳定，且使输出电流较小，后级电流放大难以实现。专门的电流放大器价格昂贵且器件难易购买。方案二：采用由精密运放与三个晶体管组成的达林顿管电路构成的压流转换模块。转换电路利用晶体管平坦的输出特性和深度负反馈使输出电流稳定本设计选用方案二，使压流转换较容易实现。3.3.2控制电路设计方案方案一：电路可采用比较简单的AT89C52作为控制芯片。89C52单片机构成控制电路简单且易于编程，运算能力完全符合本设计要求，且编程灵活性强，能实现简洁高效的算法控制，兼顾成本以及功效等优点。 方案二：该电路可用比较简单的FPGR构成的控制电路进行控制。FPGR可满足对高运算控制电路的需求，可完成复杂的逻辑功能，具有规模大，稳定性强易于调试与扩展等特点，但其单片价格过高造成产品利润不足。综上所述，选择方案一，采用AT89C52单片机作为控制芯片。3.3.3显示电路设计方案 方案一：可采用LED数码管构成的显示电路显示电流值。LED数码管对环境要求低，且易于扩充成本低廉。但同时数码管显示编程复杂度相对较高，数码管多位显示势必会加重编程负担。方案二：可采用LCD构成的电路显示。LCD抗干扰能力强，可显示字符种类繁多，编程设计相对简单，成本较高。综上所述，选择方案二，采用LCD液晶显示电流给定值和检测值。3.3.4 键盘设计方案方案一：采用两路控制复位开关做成4*4矩阵键盘，外部电源供电，同时接发光二级管显示按键动作，这样我们可直接读按键动作。不必系统发现扫描信号，节约了系统资源，同时可以方便的进行I/O口扩展。但对键盘要求高，若质量不过关，很容易读码，造成输入错误。考虑我们资源足够，我们暂不考虑次方案。方案二：采用常见单路复位开关，做成4*4矩阵键盘，用动态扫描方式读取外部按键动作，这样设计可靠，配合AT89C52单片机，可以很轻松的实现按键输入。总上所述。选择方案二。3.3.5电源设计方案系统的电源由市电通过变压、整流、稳压、滤波及AC/DC变换后提供系统所需的直流电源。这里采用两套直流稳压电源，一套为单片机及其外设提供工作电源，另一套为大功率三极管及其电流源负载提供电源，两套电源分开，可以提高系统工作的稳定性。 故采用第二套方案。3.3.6系统设计方案方案一：采用各类数字电路来组成调节设置输出电流的电路，通过信号处理是实现数控电流源，如选用CPLD等可编程逻辑器件，设计方框图如图3-1所示：3-1 设计方框图本方案电路复杂，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，而且CPLD器件普遍比较昂贵，设计成本高。方案二：采用AT89C52单片机作为系统的控制单元，通过D/A转换将电流步进值或设定值经D/A转换后驱动恒流源电路送入恒流源得到恒定电流，系统还可以实现步进控制功能，电流步进值和设定值可以通过单片机系统的键盘来完成，输出电流值由LCD液晶显示出来。输出电流经过采样电阻后完成I/V转换，再由运算放大器实现隔离放大。模数转换芯片AD7705对处理后的采样电压进行模数转换，将转换后的数据反馈至单片机。这样可以使输出电流更加稳定。此方案各类功能易于实现，能很好的满足题目的设计要求。本设计的方框图如图3-2所示： AT89C52 D/A转换A/D转换稳压电路键盘输入LCD显示 电流采样V/I转换负载图3-2 系统框图 第四章 硬件设计4.1 恒流源电路设计4.1.1恒流源电路结构恒流源电路的设计是本设计硬件设计的核心，它是用电压控制电流的变化。为了能产生恒定的电流，我们采用电压闭环反馈控制。恒流源电路如图所示，该电路由运算放大器、大功率达林顿管、采样电阻Rf等组成。图4-1 V/I转换电路原理图4.1.2恒流源原理 在V/I转换电路中的输出回路中引入一个反馈电阻Rf，输出电流I0经反馈电阻Rf得到一个反馈电压Vf，Vf=V11-V12，通过R8，R9加到运算放大器的两个输入端。设运放的同向端和反向端的电压为V3，V2。该部分的输入电压为Vi（由TLV5618的4引脚输出）。又理想运放两端的输入电流i3,i2约等于零，且V3V2，则有：V2= (4-1)即： (4-2)由于V12=V11-Vf，则： (4-3)若令：R6=R7=10K,R8-R9=1K,则有： Vf=ViR9/R7 (4-4)略去反馈回路的电流，则： I0=Vf/Rf=Vi/10Rf (4-5)可见，输出电流的标定由D/A转换的输出电压Vi和Rf的阻值决定，成线性变换。4.1.3恒流源电路器件选型晶体管T1、T2、T3选用2SC4596，耐压60v，最大电流5A，最大功率25w,能够较好的满足题目设计的要求。Rf采用大线径康铜丝制作，其温度系数很小，大线径可使其温度影响减至最小，此处选用的是0.5W的大功率精密电阻。设计中精密运放采用四运放集成芯片LM324。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放互相独立。其特点是即可单电源工作又可双电源工作，并可在较宽电源电压范围内工作，且电源电流很小，输入偏置电流具有温度补偿，无需外接频率补偿元件。它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端，Vi（-）为反相输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端的位相反：Vi+（+）为通向输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端的相位相同。LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 特点：内部频率补偿 ； 直流电压增益高(约100dB)； 单位增益频带宽(约1MHz)； 电源电压范围宽：单电源(332V)； 双电源(1.516V)； 低功耗电流，适合于电池供电； 低输入偏流； 低输入失调电压和失调电流； 共模输入电压范围宽，包括接地； 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围； 输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)； 4.2.数控电路设计4.2.1数控电路结构数控电路可采用传统逻辑电路组成，如采用数字电路和FPGA门阵列等，也可以采用单片机系统。单片机系统具有灵活的接口和在线编程能力，容易实现题目中有关键盘设置、显示以及测量功能等。本设计中单片机控制单路中，单片机的P0口，P2.0P2.1用于空闲时单元电路中的LCD的选定，P1口控制按键，P3.0P3.2口作为D/A的数据线端口，P3.3P3.7口作为A/D转换接口。按键的功能是实现输出电流的设置。按键1,2,3,4的功能分别是：设定、增加、减少和返回。输出电流设定好后单片机将电流数字量通过P3口送入到D/A转换器中，D/A转换器将其转换为数字量输出。图4-2 数控电路图 4.2.2数控电路原理单片机系统是整个数控系统的核心部分，它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。单片机系统具有领过的接口和在线编程能力。通过单片机扫描矩阵键盘，用户将电流值即步进值调整信号输入点偏激，单片机接受响应信号后显示用户设定电流值，经由D/A转换后输出电压值并驱动恒流源工作，最后经采样电路经AD转换后将结果反馈给单片机显示在液晶上。 4.2.3单片机的选型对单片机的要求：只要能够方便地扩展显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器外设即可，其他并无要求。常见的单片机由8051系列的单片机、8096系列的单片机、SPCE061A的凌阳单片机。这里采用AT89C52，89C52相比于89C51价格基本不变，甚至具有更高的性价比。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器有效地降低开发成本。在芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提高灵活、可有效地解决方案。AT89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据库指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，知道下一个中断或硬件复位为止。图4-3 AT89C52引脚封装图单片机复位电路 复位时单片机的初始化操作，其主要功能是PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行时出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为使单片机正常工作，也需要按复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号时由高电平有效，其有效时间持续24个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上。复位操作有上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位和自动复位四种方式。在本设计中复位电路采用按键电平方式，电路如图所示模式RST引脚（图中悬空脚）经过10u电解电容与VCC电源接通，同时经过电阻与地连接而实现。 图4-4 复位电路单片机时钟电路AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C2、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。采用外部时钟的电路，这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。图4-5 时钟电路4.3 D/A转换电路设计4.3.1 D/A转换电路结构D/A转换器是接受数字量，输出一个与数字量相对应的电流或电压信号的模块接口，将电流检测电路输出的模拟电压信号转换成数字信号，回送给单片机，由单片机将该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，由此构成反馈调节，提高输出电流的精度。D/A转换器的参考电压通过TL431来实现。D/A转换电路如图4-6所示.图4-6 D/A转换电路4.3.2 D/A转换电路原理自动控制领域是单片机应用的一个重要的领域，而在自动控制的应用中，被控对象有些事需要模拟量进行控制和调整的，这样单片机就将处理后的数字量转换为模拟量，用变换后的模拟量对被控系统进行的控制和调整，数模转换器主要应用于这一领域的器件。在本设计中，键盘将输出电流设定好后，单片机将电流数字量通过P3口送入到D/A转换器的中，D/A转换器将其转换为数字量输出。D/A转换器最大转换电流值为2000mA。4.3.3 D/A转换电路器件选型根据题目要求，所设计的直流电流源应具有数控功能，按设计指标要求，应满足输出最大2000mA，步进10mA的要求，因此，用“单片机+D/A”的方式实现数控功能最为合适。根据指标要求，D/A的位数至少11位，故而选择12位的D/A转换器。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，单精度可以达到0.5mV。AT89C52单片机控制只需三个引脚，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）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：V0=2Vref（n/2048） （4-6）其输出电压范围为：04.096V。TLV5618是一个双通道12为电压输出型DAC，具有灵活的三线接口，并且和TMS320、SPI、QSPI、微带线串行接口兼容。16为串行线包括4位控制线和12位数据线。可编程DAC允许设计者通过改变时间改善功耗。TLV618供电电压2.7V-5.5V。TLV5618AC工作环境温度0到70，TLV5618AI工作环境温度-40到85，TLV5618AQ工作环境温度-40到125，TLV5618AM工作环境温度-55到125双通道12位电压输出型DAC可编程设置时间：3uS10uS兼容TMS320和SPI接口可直接代替TLC5618图4-7 TLV5618引脚TLV5618的最大串行时钟频率为：f（SCLK）max=1/tw(CH)mintw(CL)min=20MHz，数据的更新速率受片选周期限制，此时tp(cs)=16Xtw(CH)+tw(CL)+tsU(CS1)=820ns。对于满度输入阶跃跳变，移位寄存器至12位寄存器的建立时间限制了更新速率。表4-1可知建立时间可选为3uS或15uS。当片选（CS）为低电平时，输入数据由时钟定时，以最高有效位在前的方式读入16位移位寄存器，SCLK的下降沿把数据一如寄存器A、B，然后CS的上升沿把数据送到12位DAC转换器。所有CS的跳变应当发生在SCLK输入为低电平时。D15D12编程控制位如表4-1所示： 编程位 代码功能D15 D14 D13 D121 X X X把串行接口寄存器的数据写入锁存器A并使用缓冲器锁存数据更新锁存器0 X X X写锁存器B和双缓冲锁存器0 X X X仅写双缓冲锁存器X 1 X X14uS建立时间X 0 X X3uS建立时间X X X X上电（Powerup）操作X X 1 X 断电（Powerdown）方式表4-1 D15D12编程控制位的功能NAMENO.I/O/PDESCRIPYIONAGND5P接地CS3I器件选通端DIN1I串行数据输入端OUTA4OA通道模拟电压输出端OUTB7OB通道模拟电压输出端REF6I模拟参考电压输出端SCLK2I数字串行时钟输入端VDD8P电源端表4-2 管脚功能基准电压源是当代模拟集成电路极为重要的组成部分，它为串联型稳压电路、A/D和D/A转换器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。AD7705需要标准的2.5V参考电压，该参考电压由TL431产生，基准电源电路如图4-8所示：图4-8所示德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。 TL431 3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1到100mA变化。当然，绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。 4.4 A/D转换电路设计4.4.1A/D转换电路结构模数转换器是一种用来将连续的模拟信号转换成适合于数字处理的二进制器件，可以认为，模数转换器是一种将模拟信号值编织成对应的二进制码的编码器。 A/D转换电路在输出电流值处实时采集电流值将与设定值相比较对电路电流实时监测，从而保证输出电流在要求精度范围内，达到设计要求。A/D转换电路如图4-9所示图4-9 A/D转换电路4.4.2 A/D转换电路原理在自动控制理论中，控制方式通常可以有开环、闭环和复合控制方式三种。开环控制系统的控制输入不受输出影响的控制系统。在开环控制系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路。因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成。控制器通常具有功率放大的功能。同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构简单得多，同时也比较经济，开环控制系统的缺点是控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外接影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合，如步进电机的控制，简易电炉炉温调节，水位调节等。反馈控制是将系统的输出信息反送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。反馈控制其实就是用过去的情况来指导现在和将来。在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定；若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。在自动控制理论中，“反馈控制”是信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭环传递，从而形成一个闭环回路的控制方法。反馈信号分“正反馈”和“负反馈”两种。为了和给定的信号比较，必须把反馈信号转换成与给定信号具有相同量纲和相同量级的信号。同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的相应特性。本设计在电路中加入采样电路，用A/D转换电路实时对电路中的电流进行采样，检测输出电流是否在设计的精度要求范围内，从而保证电流恒定输出。4.4.3 A/D转换电路选型常用的模/数转换器有：计数式A/D转换器、双积分A/D转换器、逐位比较式A/D转换器及并行直接比较式A/D转换器等几种。一个完整的模数转换器应该包含这样一些输入、输出信号；模拟输入信号Vin和参考电压Vref；数字输出信号启动转换信号转换完成（结束）信号或者“忙”信号，输出；数据输出允许信号，输入；单片机对A/D转换的控制一般分为三个过程：（1）单片机通过控制口发出启动转换信号，命令模/数转换器开始转换。（2）单片机通过状态口读入A/D转换器的状态，判断它是否转换结束。（3）一旦转换结束，CPU发出数据输出允许信号，读入转换完成的数据。根据题目要求，系统应能测量显示实际输出电流的输出范围及精度指标是：20mA2000mA，因此可知，A/D的精度至少要在12位以上，但由于只用于测量显示，因而测量速度要求不高：又因为测量对象为直流信号，故也没有双极性测量的要求。据此可以考虑采用以下具有可变增益功能的A/D转换器。AD7705是AD公司推出的16位电荷平衡式A/D转换器。具有高分辨率、宽动态范围、自校准、低功耗及优良的抗噪声性能，因此非常适用于仪表检测和控制等领域。故选用AD7705。AD7705的基本特性为：16位无丢失代码；0.003%的非线性度；PGA可选择1,2,4,8,32,64,128；8种增益；输出数据更新速率可编程；具有自校准和系统校准功能；三线串行接口；可缓冲模拟输入；低功耗。 AD7705的引脚排列如图4-10所示，各引脚的功能说明如下：图4-10 AD7705引脚图SCLK:串行时钟输入。MCLK IN：主时钟输入。时钟频率为500kHz5MHzMCLK OUT：主时钟输出。CS：片选，低电平有效。RESET：复位。该端口为低电平时，可以讲控制逻辑、接口逻辑、校准系数以及数字滤波器等复位上电状态。AIN2(+)、AIN2(-):分别为差分模拟输入通道2的正、负输入端。AIN1(+)、AIN1(-):分别为差分模拟输入通道1的正、负输入端。REF IN(+)、REF IN(-):分别为参考电压的正、负端。为了确保元件的正常工作，EF IIN(+)端口的输入信号必须大于REF IN(-)端的输入。DRDY:逻辑输出。低电平表示可以读取新的数据转换；高电平时不可读取数据。DIN,DOUT：分别为串行数据输入和输出端。1.片内寄存器AD7705共有8个片内寄存器，它们是通用寄存器、设置寄存器、时钟寄存器以及几个测试和校准寄存器。这些寄存器的任何操作都必须先写成通信寄存器，然后才能对其他寄存器进行操作。（1）通信寄存器通信寄存器是一个8位读/写寄存器，写入通信寄存器的数据决定下一次读/写操作在哪一个寄存器上进行，完成对所选寄存器的读/写操作后，该端口等待下一个写操作，这也是通信寄存器的缺省状态。如果在DIN为高电平时，写操作持续时间足够长（至少32个串行时钟周期），那么AD7705将返回该缺省状态。通信寄存器中的RS2、RS1、RS0为寄存器选择位，它们决定对哪一个寄存器进行读/写操作。常用的寄存器主要有通信寄存器（RS2RS1RS0=010）以及数据寄存器（RS2RS1RS0=011）。R/W为读写选择位。该位确定对选定寄存器进行读还是写操作，“0”表示写操作，“1”表示读操作。CH1，CH0为通道选择位，00选择通道1,01选择通道2。（2）设置寄存器 设置寄存器是一个8位读/写寄存器。其中MD1，MD0为工作模式选择位，MD1MD0=00,01,10,11分别对正常工作模式、自校准、零标度系统校准以及慢慢标度系统校准。G2，G1，G0=000111分别对应1,2,4,8,16,32,64,128八种增益。（3）时钟寄存器 时钟寄存器是一个8位读/写寄存器。其中CLK味时钟 位。如果器件的主时钟频率为2.4576MHz（CLK-DIV=0）或4.9152MHz（CLK DIV=1），该位置“1”；如果主时钟频率为1MHz（CLK DIV=0）或2MHz（CLK DIV=1），该位置“0”。此外CLK还与FS1和FS0共同选择器件的输出更新速率。（4）数据寄存器数据寄存器是一个16位只读寄存器，它用来存放AD770的最新转换结果。这里要注意：当对AD7705进行写操作时，AD7705期望MSB（最高有效位）在前，但微控制器（如8051系列）首席那输出LSB（最低有效位），因此必须对数据进行倒序。不过同时还要注意：数据寄存器虽然是一个16位寄存器，但它由2个8位存储单元组成，因此必须分成2个8位分别进行倒序。进行读操作时同样如此。（5）测试寄存器该寄存器主要用于测试，建议用户不要随便对其进行更改。（6）零标度寄存器（7）满标度寄存器2.校准当环境温度、工作电压、增益或双极/单极输入范围变化时，必须对AD7705进行校准，校准可通过对寄存器的MD1和MD0位编程实现，校准可去除偏置和增益误差。（1）自校准对于所选通道，无论使用何种校准模式，AGC的片上微控制器必须记录2个不同模拟输入状态的调制器输出，也就是“零标度”和“满标度”点。通过这些转换，微控制器可以计算转换器输入/输出转换函数的增益斜率。元件内部通过33位分辨率决定16位的转换结果。在自校准模式中，ADC决定内部校准点。AD7705在内部短接2个输入端（比如AIN(+)=AIN(-)=Vref），以得到用以确定校准系数的零标度点。子要模拟输入引脚上的信号不超过正常范围，它们就不会影响校准过程。满标度系数则可以在选定的增益下，通过在输入端施加电压Vref来确定。自校准可以通过写设置寄存器中的MD1和MD0来实现（MD1MD0=01）。在该校准模式中，可以通过DRDY来确定转换何时结束且模拟输入的转换数据可用。校准初始化时DRDY为高电平，直到外部模拟输入的转换结果可用时才变为低电平。校准过程必须考虑PGA的增益。（2）系统校准系统校准通过写设置寄存器中的MD1和MD0来实现，他分2步完成，可补偿系统增益，先后在外部给AIN（+）端施加零标度电压和满标度电压，分别校准零标度点（MD1MD0=10）和满标度点（MD1MD0=11）.根据零标度和满标度校准的数据，片内微控制器计算出转换器的输入/输出转换函数的偏移和增益斜率，对误差进行补偿。在单极性模式下，系统校准在转换函数的零标度和满标度之间完成；在双极性模式下，校准在中点电压（零差分电压）和正的满标度电压之间完成。（3）现场校准系统校准作为工厂校准的一部分，实现起来并不难，然而由于校准过程中，必须在2个模拟输入端施加系统零标度和满标度电压，而现场的2中标度电压并不容易确定，因此现场的系统校准实现起来麻烦得多。这样一开，用户在进行工厂系统校准后，还必须考虑如何消除由现场温度变化所引起的ADC漂移误差。下面就介绍一种解决该问题的方法，它包括工厂校准和现场校准2个部分。 工厂校准在选定增益和输出更新速率下，进行自校准；读取并存储校准寄存器内容，令偏移=Z0，增益=G0；在选定增益和输出更新速率下，进行自校准；读取并存储校准寄存器内容，令偏移=Zs，增益=Gs，将系统校准系数加载ADC中，便可在现场使用该系统。 如果环境温度变化，可以遵照以下方法对偏移和增益漂移进行校准； 现场校准 在选定增益和输出更新速率下，进行自校准，这里要注意：增益和输出更新速率必须跟前面的自校准和系统校准保持一致；读取校准寄存器内容，零偏移=Z1，增益=G1;计算新的校准系数：Zn=Zs+（Z1-Z0） Gn=Gs（G1/G0）将Zn与Gn写入校准寄存器。该方法不仅保留了初始的系统校准，同时对系数进行了调整，这样便可消除ADC中由温度漂移引起的误差，不过该方法也智能消除由ADC引起的温度漂移，对于由模拟前端信号链引起的漂移误差作则不起作用。手动校准在校准过程中，当输入范围不是正常输入范围时，校准过程中不能通过零标度和满标度电压进行系统校准，这时便可通过人为改变校准系数来解决该问题。下面便介绍如何改变系数，来适应输入范围不是0Vref（Vref）时的情况。首先，应该针对适当增益、输入范围、更新速率以及选择的单/双极输入模式，使用自校准程序进行校准。然后根据自校准得到的系数，计算出新的系数。例如，如果所需电压Vin表述如下：Vin=AVref+B时钟B为偏移电压，AVref为输入间距。当短接输入端进行零标度校准，且施加Vref进行满标度校准时，A=1，B=0.当输入范围不是0Vref（Vref）时，可以遵照下面的步骤进行处理：首先减去偏移B,这样便可在模拟输入电压为B时得到0代码；然后通过AVref来调整输入范围，这样输入Vin便可得到满标度代码。手动校准过程大致如下：首先进行自校准，并读取校准系数，定义Z0=零标度系数，F0=满标度系数；接下来便可将Z0和F0代入下面的公式，求出使用与新的输入范围的新系数。通常，所需的精度越高，校准就越频繁。进行校准后，高分辨率的转换器将会附带一些偏移与增益漂移误差，比如，AD7705由温度引起的偏移为0.05uV/.因此为了提高精度,又是也必须考虑寄生电偶的温度效应以及器件外部的漂移源等。4.5显示模块设计4.5.1 显示电路结构显示电路实时显示电流设定值，电流输出值，本设计中将P0口，P2.0P2.1作为显示电路的I/O口。显示电路如图4-11所示：图4-11 显示电路4.5.2显示电路选型LCD12864 介绍 12864点阵液晶显示屏有三种控制器,分别是KS0107(KS0108)、T6963C和ST7920，三种控制器主要区别是：KS0107(KS0108)不带任何字库、T6963C带ASCII码，ST7920带国标二级字库（8千多个汉字）。CS2=1CS1=1Y=016263016263行号X=0X=7DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB00DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB77