数控直流电源--毕业设计-毕业论文.doc

本科生毕业设计 论文 本科生毕业设计 论文 20112011 届届 题题 目 目 数控直流电流源的设计 学学 院 院 数理与信息工程学院 专专 业 业 电子信息工程 学生姓名 学生姓名 吕志才 学号 学号 07220235 指导教师 指导教师 楼恩平 职称 职称 实验师 合作导师 合作导师 职称 职称 完成时间 完成时间 2011 年 04 月 10 日 成成 绩 绩 浙江师范大学本科毕业设计浙江师范大学本科毕业设计 论文论文 正文正文 目 录 摘要 1 英文摘要 1 1 引言 1 1 1 电源的概述 2 1 2 恒流电源的意义 2 1 3 国内外研究现状及发展趋势 3 1 3 1 研究现状 3 1 3 2 发展趋势 3 1 4电源设计技术指标 4 2 方案设计 比较与论证 4 2 1 总体方案设计 比较与论证 4 2 2 模块电路设计及比较 5 2 2 1 数控模块 5 2 2 2 电流源模块 6 3 硬件电路设计 分析与计算 7 3 1 硬件系统原理 7 3 2 数控模块和测量模块 7 3 2 1 键盘与显示电路 7 3 2 2 D A A D 及其接口电路 8 3 3 电流源模块 9 3 3 1 反馈电路的分析与设计 10 3 3 2 供电电压的选择 11 3 3 3 取样电阻的选择 11 3 3 4 测量电路的分析与设计 11 4软件设计流程 11 4 1 主程序的设计 11 4 2 D A 子程序的设计 12 4 3 A D 子程序的设计 13 5 系统测试及整机指标 14 5 1 测试仪器 14 5 2 指标测量方法 14 6 测试数据及测试结果分析 15 6 1 测试记录 15 6 2 测试结果及误差分析 16 7 结论与展望 16 参考文献 16 附录一 数控直流电流源原理图 18 附录二 数控直流电流源实物图 19 1 数控直流电流源的设计数控直流电流源的设计 数理与信息工程学院电子信息工程 吕志才 07220235 指导老师 楼恩平 实验师 摘要摘要 采用AT89C52作为数控直流电流源的控制和测量核心 实现了电流设置 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 电流源模块采用了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 数控模 块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 关键词关键词 AT89C52 电流源 A D转换器 D A转换器 液晶显示 Design of Digital controlled Direct current source Lou en ping Director Lv zhi cai Dept of Electronic and information engineering Zhejiang Normal University 321004 Abstract AT89C52 as using digital controlled current source control and measurement of the core to achieve the current setup control output measurement and display The digital controlled current source current source module measuring module CNC module Current source module using integrated operational amplifier and the power line with the current depth of the closed loop pipe constitutes a negative feedback circuit Measurement module is high precision double integral D A sampling resistor to measure the voltage on the injury and then converted to current values to complete CNC control module microcontroller as the core high precision D A output voltage into the current source module to be completed by a small step on the output current control Given value through the keyboard input by the D A converter converts the digital signals into analog signals by D A output voltage as the reference voltage current source the Chinese liquid crystal display output Key Words AT89C52 current source A D converter D A Converter LCD 1 1 引言引言 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 寿命更长 近年来电源技术的飞速发展 数控电源正朝着小型化 高频化 继 承化的方向发展 高精度的数控电流源已经得到越来越广泛的应用 基于此 2 人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切 因此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 本文正是应社会发展的要求 设计出一种高性 能的数控直流恒流源 本数控直流恒流源系统输出电流稳定 不随负载和环境 温度变化 并具有很高的精度 输出电流误差范围为给定值的 1 10mA 输出 电流可在 20mA 2000mA 范围内任意设定 因而可实际应用于需要高稳定度小功 率恒流源的领域 除此 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 1 11 1 电源的概述电源的概述 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 数控电流源是从 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 另外 单片机技术及电压转换模块的出现为精确 数控电流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 的数控电源 功率密度已达 50W 的数控电源 从组成上 数控 电源可分为器件 主电路和控制电路三部分 1 21 2 恒流电源的意义恒流电源的意义 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 基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 3 这对于恒流源的发展具有相当现实的意义 而且数字化智能电流源模块是针对 传统智能电流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 有效的解决了电流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 电能变换技术是 一种应用功率半导体器件 综合电力变换技术 现代电子技术 自动控制技术 的多学科的边缘交叉技术 电能变换技术是实现电能变换和功率传递的关键技 术 能够对电能变换过程的参数实现精确的控制和高效率的处理 特别是能够 实现大功率电能的频率变换 从而为现代通信 电子仪器 计算机 工业自动 化 电力工程及某些高新技术提供高质量 高效率 高可靠性的电源支持 1 31 3 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 1 3 11 3 1 研究现状研究现状 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电压 电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 来控制数控直流电流源或数字化电流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 从而使直流电流源智能化 具有遥测 遥信和遥控 的三遥功能 目前 全国的电流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电流源大多是代理日本和台湾 的产品 国内厂家生产的直流电流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 4 1 3 21 3 2 发展趋势发展趋势 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 1 41 4 电源设计技术指标电源设计技术指标 本课题设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电流源 克服 了传统直流电流源的缺点 具有很高的应用价值 本课题主要设计的是基于单 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 此恒流源的应用范围非常广泛 并且在许多情况下是必不可少的 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 2 2 方案设计 比较与论证方案设计 比较与论证 2 12 1 总体方案设计 比较与论证总体方案设计 比较与论证 本课题所研究的数控直流电流源应该包括如下模块 电流源模块 测量模 块和数控模块等 电流源模块采用了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 由单片机控制高精度 D A 转换器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 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 方案一 采用单片机作为核心控制器 用键盘设置所需的输出电流值 数 模转换器 D A 与其右边部分的电路构成恒流源 D A 输出电压作为恒流源的参 5 考电压 运算放大器 IC 与三个晶体管组成达林顿电路构成电压跟随器 利用晶 体管平坦的输出特性即可得到恒流源输出 如图 2 1 所示 该方案硬件电路简 单 容易实现 但其输出精度不高 VCC 输出 R1 LM358 R2 图 2 1 方案一系统原理框图 方案二 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 本方案的基本原理如图 2 2 所示 输出 图 2 2 方案二系统原理框图 综上分析 总体方案设计采用方案二 2 22 2 模块电路设计及比较模块电路设计及比较 2 2 12 2 1 数控模块数控模块 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 源 模 块 LED 键盘 单片机 89C52 光耦 TLP 521 4 DAC TLC 5618 6 方案一 数控模块可采用可编程逻辑器件 如 FPGN 门阵列 构成的控制电路 但是此方案价格昂贵 方案二 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 故本方案采用了以 AT89C52 单片机为核心对整个电路的控制 2 2 22 2 2 电流源电流源模块模块 在小电流输出的电流源中 可采用晶体管构成的镜像电流源 微电流源等 本设计中要求的输出电流为 20 2000mA 输出电流较大 在实现方案上场采用 如下三种方案 方案一 以可调直流稳压电源为基础 如图 3 1 所示 R Vout RL R1 R2 图 3 1 采用可调稳压器实现恒流源 当 R2 固定时 可保证流过负载的电流恒定 通过调节 R2 的大小 即可以 实现改变负载电流的目的 但是该方案输出较大的电流 极易引起电流失控 无法实现高精度步进要求 更难于实现电源数控的要求 方案二 采用基于 PWM 控制的电流源 该方案采用脉冲宽度调制技术 通 过改变控制脉冲的占空比实现输出电流的控制 该方案的优点是效率高 可输 出的电流大 但由于功率管工作在开关状态 因此交流纹波较高 方案三 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 3 2 所示 电源 RL Vc 取样电阻 图 3 2 带有电流负反馈的直流电流源 综上分析 电流源部分采用方案三 Vin Vout ADJ D A 转换器 带有电流负反馈 的直流电流源 7 3 3 硬件电路设计 分析与计算硬件电路设计 分析与计算 3 13 1 硬件系统原理硬件系统原理 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 输出 图 3 1 硬件系统原理框图 AT89C52 单片机为一种16 位单片机 被用来作为数控直流电流源的核心控 制器件主要是基于以下考虑 其数据处理能力较强 在功能上远超过8位单片机 集成度较高 基本不使用外部接口 AT89C52 单片机内部自带有10 位的DAC 和 ADC 转换器 其接口是可编程控制的 使用起来更方便可靠 有支持DSP 数字信 号处理 的指令 可方便地实现语音处理功能 带有LCD 可实现多参数同时 显示 3 23 2 数控模块和测量模块数控模块和测量模块 3 2 13 2 1 键盘与显示电路键盘与显示电路 键盘与显示电路如图 3 1 所示 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 源 模 块 8 图 3 1 键盘显示接口电路 使用单片机作为这一控制的核心 单片机与键盘相连 采用 2X2 阵式键盘 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 3 2 23 2 2 D AD A A DA D 及其接口电路及其接口电路 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 2 所示 图 3 2 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 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 转换器选用 MAX197 MAX197 无需外接元器件就可独立完成 A D 转换功 能 它可分为内部采样模式和外部采样模式 采样模式由控制寄存器的 D5 位决 定 在内部采样控制模式 控制位置 0 中 由写脉冲启动采样间隔 经过瞬间 的采样间隔 芯片时钟为 2MHz 时 为 3ms 即开始 A D 转换 在外部采样模式 D5 1 中 由两个写脉冲分别控制采样和 A D 转换 在第一个写脉冲出现时 写入 ACQMOD 为 1 开始采样间隔 在第二个写脉冲出现时 写入控制字 ACQMOD 为 0 MAX197 停止采样 开始 转换 这两个写脉冲之间的时间间隔为一次 DIN 1 SCLK 2 CS 3 OUTA 4 AGND 5 REFIN 6 OUTB 7 VDD 8 DPJ3 TLV5618 VIN 1 VOUT 2 GND 3 NC 4 NC 5 NC 6 NC 7 NC 8 DPJ4 MC1403 VCC VCC 10K RES1 P35 P36 P37 9 采样时间 当一次转换结束后 MAX197 相应的 INT 引脚置低电平 通知处理器 可以读取转换结果 对于模拟到数字量的转换 时序要求非常严格 由于 MAX197 的数字信号输 出引脚是复用的 要正确读出转换结果 时序要求尤其重要 在一次采样开始 前 可以通过单片机的 8 位数据线把这些控制字写入 MAX197 来初始化相应的参 数 然后按照一定的时序进行采样和转换 MAX197 是一种通用 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 0 P0 7 与 MAX197 的 D0 D7 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 用 AT89C52 单片机 的 P2 7 作片选信号 则 MAX197 的高位地址为 7FH 选择 MAX197 为软件设置低 功耗工作方式 所以置 SHDN 脚为高电平 本文采用外部基准电压 所以 REFDJ 接高电平 而 REF 则接外部输入参考电压 AT89C52 单片机的 P1 1 脚用做判读 高 低位数据的选择线 直接与 HBEN 脚相连 MAX197 的 INT 脚可与 AT89C52 的 INT0 相连 以便实现中断 读取转换结果 其输出电压公式为 Vo 2 VREF N 1000 20000 3 2 其理论伤精度可达 0 1mV 在电路中 AGND 和 DGND 应相互独立 各种电源与模拟地之间都用 0 1mF 电容来消除电源的纹波 A D 转换的硬件电路设计如图 3 3 所示 图 3 3 A D 转换电路 3 33 3 电流源模块电流源模块 CLK 1 CS 2 WR 3 RD 4 HBEN 5 SHDN 6 D7 7 D6 8 D5 9 D4 10 D3 D11 11 D2 D10 12 D1 D9 13 D0 D8 14 AGND 15 CH0 16 CH1 17 CH2 18 CH3 19 CH4 20 CH5 21 CH6 22 CH7 23 INT 24 REFADJ 25 REF 26 VDD 27 DGND 28 R4 MAX197 C21 4 7U C23 0 1uf C24 4 7uf E2 0 01uf R5 5 VCC C22 100P NET5 NET6 NET5 NET6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J15 CON9 P34 adin P10 P30 P31 P32 P33 P34 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 10 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 3 3 所示 D A 输入 RL 图 3 3 直流电流源电路 3 3 13 3 1 反馈电路的分析与设计反馈电路的分析与设计 D A 输出电压作为恒流源的参考电压 运算放大器 U4 J11 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 本设计的稳定度优于 0 5 为了提高稳定度 D A 部分的参考电压采用 TL431 产生 2 048V 参考电压 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 2 3 6 74 1 85 J11 OP07 C271UF R9 2 15V 15V 1 2 3 J13 CON3 2 3 6 74 1 85 J17 OP07 15V C25 0 1UF C264 7UF C28 4 7UF C29 4 7UF C321UF C35 10uf 15V C330 1U C34 4 7UF 1 2 J12 口口口口 2 3 6 74 1 85 J18 OP07 1 J19 CON1 15V C360 1UF C37 4 7UF 15V C300 1UF C31 4 7UF adin Q1 9014 Q2 3DD15 OUTA 11 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 3 9 2 R V 3 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 ICIe 3 9 2 R V 4 对于理想运算放大器 同相反相间得压差为 0 即 V1 V2 3 5 所以输出电流与输出电压间的关系 I 3 9 1V R 6 U4 J11 采用精密运算放大器 OP07 该放大器有调节零点漂移的功能 Q1采用晶体管 9014 它的放大倍数大约为 40 倍 Q2选用低频大功率管 3DD15 它的放大倍数为 10 20 倍 漏极电流很小 Q1的加入是为了增加复 合管的放大倍数 3 3 23 3 2 供电电压的选择供电电压的选择 题目中要求输出电流最大为 2A 取极限情况 又因为选取的取样电阻为 2 则取样电阻上的压降为 4V 而功率管要工作在放大状态 Vce 至少为 2V 所以供电电压必须大于 15V 因此选取供电电压为 15V 3 3 33 3 3 取样电阻的选择取样电阻的选择 由公式 3 6 知输出电流的控制是通过改变输入电压来实现的 这就要求 电流取样电阻随温度变化很小 康铜丝的温度系数非常小 频率精度为 5 102 于是采用大直径的康铜丝 3 3 43 3 4 测量电路的分析与设计测量电路的分析与设计 课题要求测量输出电流值 理论上是通过三极管的集电极串联一个很小的 电阻 通过差分放大实现但是由于输出的电压幅度最大为 10V 在小电阻上的 电压没有线性关系 故从发射极测量 采用电压跟随器运算放大器的输入阻抗 很大 可以达到不分流而得到电压的目的 为了电路的简洁 作品采取直接把 电流取样电阻的中点电位作为输出电流的等效值 12 4 4软件设计流程软件设计流程 4 14 1 主程序的设计主程序的设计 主程序实现整体控制 主程序中多处用到条件判断语句 以便程序能够及 时跳转 实现随时响应按键以及显示信息的功能 子程序主要包括D A转换子程 序 A D转换处理子程序 调整D A输出 键盘处理子程序 液晶显示子程序等 软件设计主流程图如图4 1所示 N Y N Y 开始 初始化 键盘扫描 是否设 定电流 位选 步进键键盘扫 描 设定电流 是否完成 确定键键盘扫描 电流步进变换 D A 转换 A D 转换 显示 进行比较 是否退出 键盘扫描 图 4 1 软件流程图 4 24 2 D AD A 子程序的设计子程序的设计 D A 转换器 TLV5618 模块的软件设计 通过 DIN SCLK CS 三条控制线设置 转化数据 头四位为特殊位用于选择转化方式 以及用于通道选择 可自行设置 后 12 位为需要转换的值 实现电压的可变输出 程序调节 D A 的输出 使输出 13 值更加准确 键盘向单片机输入数据 单片机对获得的数据进行处理 经过 12 位 D A 再送到恒流源模块 12 位 A D 测量取样电阻上的电压值经过反馈回单片 机 调整 D A 输出电压大小 进而调整电流接近预置值 使输出电流达到一个 动态平衡状态 D A 转换器程序流程图如图 4 2 所示 开始 初始化 数据写入 通道选择 进入转换 结束 图 4 2 D A 子程序流程图 4 34 3 A DA D 子程序的设计子程序的设计 MAX197 转换器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 A D 转换器 MAX197 与其它普通 A D 芯片 不同之处在于它的很多软件功能都是利用内部控制来实现的 如通道选择 模 拟信号量程 极性等 正确进行采集转换并读取数据的前提是必须正确设置控 制字以及 MAX197 的各种控制信号 本设计中 进行数据采集转换前都对 MAX197 进行初始化 以便确定其采集转换的通道 量程和极性等 A D 子程序 流程图如图 4 3 所示 14 开始 初始化 数据写入和读出 选择电压模式通道 进入转换 结束 图 4 3 A D 转换流程图 5 5 系统测试及整机指标系统测试及整机指标 5 15 1 测试仪器测试仪器 1 函数信号发生器 TFG2030 DOS 30MHz 2 可调大功率直流电压源 MPS 3005L 3 3 高精度模拟电流表 C31 A 型 4 标准型数字万用表 UNI T 5 示波器 SS 7804 40MHz 6 滑线式变阻器 BX 7 22 7 低频毫伏表 5 25 2 指标测量方法指标测量方法 1 电流源的输出电流可用以数字毫安表串联入电路中测量 输出电压值 可利用一电压表并联到负载两端测量 如图 5 1 所示 负载 RL 取样电阻 Rs CPUD A电流转换 UNI T 标准型数 字万用表 mA 15V 2A 电压源 低频毫伏表 A D 液晶 图 5 1 输出电流 电压测量图 2 电路中的地阿牛测量张志通过一取样电阻 Rs 将电流源的输出电流转 化为电压值 再通过 A D 转换器将其转化为数字量送入单片机并在液晶 1602B 上显示出来 在测试电路中的测试过程中 从毫安表上读出实际电流值 从液 晶上读出电流的测量值 15 3 利用低频电压毫伏表测量负载两端的电压即为纹波电压 纹波电压与 电阻的比值即为纹波电流 如图 5 2 所示 负载 RL 取样电阻 Rs CPUD A电流转换 15V 2A 电压表 低频毫伏表 UNI T 标准型数 字万用表 mA 图 5 2 纹波测量图 6 6 测试数据及测试结果分析测试数据及测试结果分析 6 16 1 测试记录测试记录 当负载端短路 即负载电阻 RL 0 时 输出电流的预置值 显示值和实测 值对照表如表 6 1 所示 表 6 1 输出电流的预置值 显示值和实测值对照表 测量条件 RL 0 对照电流 1 2 3 4 5 6 7 8 9 预置电流 mA20 50 100 300 500 1000 1200 1500 2000 显示电流 mA 20 50 101 301 501 1000 1202 1500 2001 实测电流 mA 21 51 102 299 497 955 1191 1490 1988 纹波电流 mA 0 1 0 2 0 2 0 3 0 3 0 3 0 5 0 4 0 8 由表 6 1 可以看出电流的设定值和实测值之间存在误差 其主要原因是直 流电流源部分输入端的射极跟随器的同相反相端的压差不为 0 不可能达到理 想运放的效果 但误差值仍在题目允许的范围内 当负载电阻 RL 1 时 输出电流的预置值 显示值和实测值对照表如表 6 16 2 所示 表 6 2 输出电流的预置值 显示值和实测值对照表 测量条件 RL 1 对照电流 1 2 3 4 5 6 7 8 9 预置电流 mA20 50 100 300 500 1000 1200 1500 2000 显示电流 mA 21 51 101 301 502 1002 1202 1502 2002 实测电流 mA 22 51 101 297 496 954 1190 1489 1989 纹波电流 mA 0 2 0 2 0 2 0 4 0 5 0 5 0 5 0 7 0 9 由表 6 2 可以看出电流的测量值与实际值之间存在误差 主要是 A D 转换存 在量化误差 取样电阻随温度升高阻值变化也会影响测量误差 取样电阻用康 铜丝温度系数较小 因此测量误差在题目要求范围之内 当负载电阻 RL 2 时 输出电流的预置值 显示值和实测值对照表如表 6 3 所示 表 6 3 输出电流的预置值 显示值和实测值对照表 测量条件 RL 2 对照电流 1 2 3 4 5 6 7 8 9 预置电流 mA 20 50 100 300 500 1000 1200 1500 2000 显示电流 mA 20 51 101 301 502 1001 1202 1502 2002 实测电流 mA 21 49 99 299 497 955 1191 1490 1988 纹波电流 mA 0 2 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 6 0 7 1 0 当负载电阻 RL 4 7 时 输出电流的预置值 显示值和实测值对照表如表 6 4 所示 表 6 4 输出电流的预置值 显示值和实测值对照表 测量条件 RL 4 7 对照电流 1 2 3 4 5 6 7 8 9 预置电流 mA 20 50 100 300 500 1000 1200 1500 2000 显示电流 mA 21 51 101 301 502 1001 1202 1502 2002 实测电流 mA 22 48 99 297 498 954 1189 1488 1986 纹波电流 mA 0 3 0 3 0 4 0 4 0 5 0 6 0 7 0 9 1 1 6 26 2 测试结果及误差分析测试结果及误差分析 从测试数据上看 本设计已经达到题目要求 但是在输出为大电流时 相 对误差会增大 原因总结如下 1 差分放大器和晶体管的放大倍数不够大 或者电流放大倍数不够稳 定 2 D A 转换器 TLV5618 引入的量化误差 17 3 A D 转换器 MAX197 引入的量化误差 4 取样电阻 Rs因温度上升而引起的误差 7 7 结论与展望结论与展望 该作品已经达到题目的要求 但仍有许多需要改进的方面 例如 可以尝 试采用场效应管代替晶体管来实现功率放大 可能会达到更好的效果 取样电 阻可以采用温度系数更小的恒温电阻或者给取样电阻附加散热装置 可以降低 因取样电阻温度过高引起的误差 使输出电流更加精确 在电源部分可以先用 开关电源在采用线性电源 可以将纹波电流降到一个理想范围 电流源模块采 用了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 测量模块用双 积分型高精度 A D 参考文献 1 付体明 吴层 刘杰 数控直流电流源 M 北京 电子工业出版社 2006 233 240 2 唐俊瞿 单片机原理及应用 M 北京 冶金工业出版社 2003 25 26 3 曾波 数控恒流源 N 电子世界 2005 9 35 41 4 何希才 电子电路的发展和应用 J 电子技术新进展 1995 6 3 255 260 5 王 朕 潘孟春 单庆晓 简易数控直流电流源设计与制作 C 北京 北京工业大学 2006 16 19 6 黄庆义 基于单片机的数控直流电流源 D 南京 南京信息工程学院 2008 7 8 7 王言豪 一种小功率开关电源的设计 D 重庆 重庆大学 2006 20 23 8 户川治朗 日 著 高玉苹 唐伯雁等译 实用电源电路设计 M 北京 科学出版社 2006 104 329 9 姚庆亮 基于单片机的数控直流恒流源的设计 D 安徽 安徽工程科技学院 2009 10 潘嘉柳 数控恒流源 D 广东 广东交通职业技术学院 2006 13 14 11 王 朕 潘孟春 单庆晓 UC3842 应用于电压反馈电路中的探讨 J 模拟电路 1998 26 3 27 28 12 王福瑞 单片微机测控系统设计大全 J 单片机原理 1998 36 7 24 25 18 附录一 数控直流电流源原理图 DIN 1 SCLK 2 CS 3 OUTA 4 AGND