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专业研修设计报告 天津理工大学 研修报告 题目：数 控 电 流 源 姓名 徐 成 龙 年级 2010 级 学号 20101547 班级 10 级 电 信 一 班 专业 电 子 信 息 工 程 学院 电 子 信 息 工 程 学院目 录 引言 第2页设计任务 第3页摘要 第4页1、设计要求与分析 第4页2、设计方案 2.1、方案一第4页 2.2、方案二第5页3、硬件电路的设计 3.1控制模块的选择第6页 3.2 D/A转换模块的选择第6页 3.3开关电源的选择与实现 3.31脉宽调制芯片UC3846的简介 第7页 3.32电流型PWM控制器第7页 3.33 、UC3846芯片的应用电路设计与具体分析 第8页 3.34驱动电路的设计第9页 3.35软件的选择第10页4、键盘与显示器设置第10页5、单片机的程序实现第10页6、结语第11页参考文献：第11页第 11 页 共 12 页电子信息工程学院引 言 电流源是科研、航天航空、半导体集成电路生产领域中一种很重要的电子设备。普通的电流源往往输出的是一种固定的电流值，、或者几个档位的电流值，不便于使用，不能满足一些高精度的变化场合，不能通用。本文目的是设计一种智能的数控电流源,能对输出电流实施及时采样控制，实现使用方便 ,通过键盘进行输出电流值的设置 ,输出电流值精确稳定 ,而且输出范围大、 分辨率高等要求。 设计任务： 设计出一个能够符合要求的数控电流源要求： 1、设计将交流变换为直流的的数字给定电流源 2、输入电压220V，50Hz，输出电流为010A并且可调节电流输出值，负载电阻为04. 3、 供电对象为电机电感磁线圈摘要： 本文重点研究了数控电流源设计实现方案、系统地硬件设计以及系统的软件设计过程。面对设计要求给出了备选方案，并就其中一种方案展开了详细的研究，给出了设计方案中原理框图、部分核心硬件系统电路图和软件原理框图。关键词：数控电流源 PIC16F877A UC3846 DAC08321、设计要求与分析 （1）、设计出一个可数控的电流源，需要实现数控那么就必须有控制模块，于是采用单片机作为MCU主控制器，则需要数据采集模块为主控制器输入采样数据。 （2）、单片机输入输出为数字信号，则在做信息传递的过程中需要将模拟信号和数字信号相互转换，则需要A/D转换模块 （3）、输入220V,50Hz输出为010A可调电流则采用UC3846做打工开关电源设计从使得输出电流最高可达40A，完全符合电流输出范围要求，同样能很好的满足负载为电感性和高精度的要求。 （4、为实现可控电流输出可采用键盘输入，和显示器显示输出电流值，从儿实现更直观和精确地控制电流的输出。 2、设计方案2.1、方案一： a、使用单片机做为控制部分（AT89S52)构成MCU主控制器。b、由键盘和显示器与主控制器MCU实现输出电流给定，并显示出电流给定值和测定值（可调）。c、采用D/A转换模块实现数模转换。d、采用整流模块电路完成大电流整流输出。e、采用数据采样模块为主控制器提供采样数据 主电源显示器 整流模块触发电路D/A转换模块MCU控制器键盘 数据采集模块 负载方案一系统结构原理框图2.2 、方案二： 采用单片机作为核心控制部件、键盘、显示器、D/A、开关电源等模块作为外围电路实现。1、采用单片机作为控制系统2、由键盘和显示器与主控制器MCU实现输出电流给定，并显示出电流给定值和测定值（可调）。3、采用D/A转换模块实现数模转换。4、采用UC3846做大功率开关电源设计从使得输出电流最高可达40A。 方案二原理结构框图 以下主要讲述方案二的设计过程。3、硬件电路的设计 由设计方案知，系统主要由控制模块、电源模块、D/A转换模块、键盘和显示模块构成。 3.1控制模块的选择 本设计采用的是 PIC16F877A单片机作为控制模块，于常用的89ATC51相比， PIC16F877A采用哈佛结构，能实现指令单指节化，寻址方式简单，IO口驱动能力强，具有Flash program程序内存功能，可以重复烧录程序。外围电路简介，不仅便于开发，而且还可以节省用户的电路板空间节约成本。程序保密性强，有低功耗和宽电压设计，能将一部分外围器件结合到一起，抗干扰能力强。 3.2 D/A转换模块的选择 DAC0832是一个8位D/A转换器芯片，单电源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准电压的范围为10V，电流建立时间为1s，CMOS工艺，低功耗20mm。其内部结构如图所示，它由1个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成和引脚排列如图所示。 DAC0832利用WR1 、 WR2 、ILE、XFER 控制信号可以构成三种不同的工作方式。1)、 直通方式 WR1= WR2 =0时，数据可以从输入端经 两 个寄存器直接进入D/A转换器。2)、单缓冲方式 两个寄存器之一始终处于直通，即WR1=0或WR2=0，另一个寄存器处于受控状态。3)、双缓冲方式 两个寄存器均处于受控状态。这种 工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。 3.3开关电源的选择与实现 由于本设计对电源要求比较高，尤其体现在对电源的功率和精度上，因此采用基于UC3846的大功率开关电源。3.31脉宽调制芯片UC3846的简介 UC3846最早是由unitrode公司推出的电流脉宽调制芯片，该芯片采用大电流图腾柱式双端输出，输出峰值电流可达500mA，能直接驱动场效应管，内置精密带隙可调基准电压、高频振荡器、误差放大器、差动电流检测放大器、欠电压锁定电路以及软启动电路，具有自动关断功能。其主要优点是功能齐全、自动前馈补偿、欠压保护、终端锁机保护，较好的负载响应特性。外围控制电路简单，工作频率高达500KHZ。最高输入电压为40V，基准电压输出典型值为5.1V，其内部结构框图如图3所示。3.32电流型PWM控制器 它的工作原理是通过采用恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲逐渐增大，当电流在采样电阻RS上的幅度达到Ue时，脉宽比较器状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，功率管截止。这样逐个检测和调节电流脉冲，就可达到控制电源输出的目的2。电流控制型是在电压反馈 PWM 控制环内部增加电流反馈的控制环节，由于存在电压环和电流环双环系统使得变换器的线电压调整率、负载调整率以及瞬态响应特性都有比较大的提高。但需要注意的是峰值电流控制型电路当电路占空比大于50%时，需要加入斜率补偿电路. 如图所示的是电流控制型的原理图3.33 、UC3846芯片的应用电路设计与具体分析 主电路设计 图一中G1，G2，G3，G4,和主变压器T1组成全桥式拓扑电路，这种拓扑结构的优点是主变压器只需要一个原边绕组，通过正反向的电压得到正、反向磁通，副边有两组中心抽头绕组采用全波整流输出，变压器的利用效率很高。缺点是需要设置一定的死区时间，防止上下两管直通。主变压器T1采用E55磁芯，材质为PC40，原边绕组匝数为25匝，副边绕组匝数为3匝，变压器不留气隙，在绕制的时候采用“三明治”绕法即“初级+次级+初级”的绕法进行绕制，采用这种绕法可以减少变压器的漏感，由于次级输出电流较大，故次级采用四组多股线圈并绕3匝而成。R1,C1为吸收电路场效应管采用低栅荷的IRFP460LC开关管，LT为初级电流检测用的电流互感器，作为电流控制时的电流取样用。 图一PWM控制电路由UC3846构成的开关电源控制电路如图二所示图二 UC3846的8脚和9脚所接的Ct和Rt决定振荡器的工作频率，为防止两路开关管的互通，还要设定两路输出都关断的死区时间。Ct上的电压为一个锯齿波，其下降时间即为死区时间。由TL431和光耦PC817以及外围电路组成简单可靠的电压反馈外环电路，并将反馈信号送至6脚。电流互感器LT将获得电流反馈内环信号经R13，C8组成的滤波器滤除电流前沿尖峰后送入4脚，放大3倍后和电压误差信号进行比较。在引脚6脚和7脚之间接入阻容R5，C3构成PI调节器，用于补偿闭环增益和进行频响调节，R15，C1组成斜坡补偿网络，保证系统能够稳定的工作，引脚1外接软启动电容C2，当引脚1上的电压低于0.5V时，UC3846的两个输出端将没有输出，通过对电容C2的充电可以很简单的实现电路软启动功能，引脚16脚外接保护电路，当16脚电位上升到0.35V，电路进入保护状态，封锁输出脉冲。控制电路的电源由辅助电源电路提供。3.34驱动电路的设计 由于驱动电路的浮地电位与被驱动的开关管源极电位不同，需要采用电位隔离的方式驱动，本文采用IR公司生产的IR2110驱动器，它的浮置电源采用自举升压电路，能够很好的实现控制电路主电路的互相隔离，同时具有体积小、速度快、结构简单、系统稳定性高等优点。全桥电路有两对场效应管，因此需要两块IR2110构成驱动电路，由IR2110构成的驱动电路如图三所示图中，C1,C2为自举升压电容，VCC经D1，C1和G3给C1充电，实现G3关闭，G1导通时，G1的栅极上有足够的储能来驱动。对于自举电容的选择，一般用一个大电容和一个小电容并联使用，小电容的作用是吸收毛刺干扰电压，驱动大容量的MOS管，上管的驱动波形峰顶如果出现下降的现象则要选取容量大一点的电容，电路中还增加了稳压二极管V5，V6避免VB过电压损坏IR2110。图三按以上分析和计算设计的全桥型开关电源，其设定输出电压为+24V，额定输出电流40A，符合题目要求。3.35软件的选择 Protel99SE软件设计系统是一套建立在IBM PC兼容机环境下的EAD电路集成设计平台。它具备有电路原理图设计，PCB设计，电路的层次设计，报表的生成制作，电路仿真以及逻辑器件的设计。 Microchip公司为PIC系列单片机配备了功能强大的软件集成开发系统MPlap。也可采用常用的单片机软件开发系统，采用99SE软件设计系统进行PCB的设计，Mplap进行仿真3、 键盘与显示器设置 键盘采用 4 4的矩阵行列式键盘 ,这样 ,16 个按键的键盘与单片机接口时只需要 8 根 I/ O 口线 ,并且键盘上各按键功能的分配可以通过软件设计做得十分合理。设置 09共十个数字键 ,步进键 “+ ” 、 “- ” ,菜单键等等。在本系统中 ,因为只需要显示输出电流的数值 ,并且为了减小 MCU 的软件开销 ,所以显示器采用 8 位L ED 数码管 ,并且约定L ED1L ED4 用来显示输出电流的给定值 ,L ED5L ED8 用来显示输出电流的测量值 ,L ED数码管显示的电流数值单位是 A ,由 PIC16F877A的内部串行口控制L ED 数码管显示器的工作。4、 单片机的程序实现 单片机要实现的功能是：独立键盘对PIC16F877A单片机输入数据，PIC16F877A单片机对获得数据进行处理，并送到8位数模转换器DAC0832，实现对电流的控制。则C语言编程的主流程图如下：5、 结语 本文重点介绍了基于UC3846的大功率开关电源的设计