数控直流电流源设计报告.doc

数控直流电流源(F题)设计与总结报告摘 要 本设计以89C51单片机为控制器 ，以温度系数小、精度高的锰铜丝作为电流取样电阻，并采用AD公司的12位D/A转换器（AD667芯片）来产生电流源所需的输入电压。电路主要由控制、显示电路、电流源电路以及电源电路几部分构成。由于在电流源电路中采用锰铜丝作为电流取样电阻，同时使用大功率复合管作为调整管，不仅使电流源的精度达到给定的要求，同时输出电流的量程还可以进一步提高。另外，在电路设计时，将负载接地，并采用从取样电阻两端取控制信号，不仅保证了电流的转换精度，同时可以实现电流02000mA调整范围。关键词： 高精度大电流数控直流电流源 精密锰铜丝电阻Abstract This design take of 89C51 as the core, using the temperature coefficient manganese copper wire electric resistance of high stability to carry on the sample and examinations to the electric current, the number that makes use of the basis electric voltage of 12 D/A conversion machine( chip of AD667) creation nicety that the American AD company produce to carry out controls the direct current eternaly to flow the source.Electric circuit from control manifestation flow the source two greatest parts composing with the direct current eternally .he control shows the mold piece from a machine, the several parts such as the D/ A conversion electric circuit, keyboard and the manifestation electric circuit etc. constitute.The direct current eternally flows the source under the function that control the part, produce a stable electric current, make use of the nicety sample electric resistance to carry on the sample to that electric current, the electric voltage that get is the feedback in accordance with the controller the output and high accuracy th e reference the electric voltage carry on the comparison, and the error margin electric voltage enlarge the empress the control the adjustment the tube, make the electric current of the sample the value and the pre-established electric current the value incline to, attain the nicety number to control the direct current eternally to flow the source purpose finally.Because the eternally flow the source is to use a pair of controls systemses, make the eternally flow the electric current of the source to output the scope and can attain 0-2000 milli- Anne, not only good satisfied the topic 20-2000 milli- Anne outputs the request of the scope, carrying on to expand towards outputting the scope at the same time.Keyword: The big electric current number of high accuracy controls he direct current eternally to flow the precise manganese copper wire electric resistance of source1 系 统 设 计11设 计 要 求1.1.1 基 本 要 求一、任 务键盘控制器电流源负载显示器电 源设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V，50Hz；输出直流电压10V。其原理示意图如下所示。二、要求1、基本要求（1）输出电流范围：200mA2000mA；（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；（6）自制电源。2、发挥部分（1）输出电流范围为20mA2000mA，步进1mA；（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的0.1+3个字；（3）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0.1+1 mA；（4）纹波电流0.2mA；（5）其他。1.2 总 体 设 计 方 案1.2.1 设计思路根据题目要求设计一个数控恒流源。设计的思路是：采用改进型的单输出端单向电流源电路来产生恒定电流。该方法是用精密电阻取样得到反馈电压，将反馈电压与高精度的参考电压比较得到误差电压，此误差电压经放大后输出控制调整管的导通程度，使预设电流值和实测电流值的逐步逼近，直至相等，从而达到数控的目的。从题目的要求来分析，该题目最大的难点在于大电流输出和高精度控制，所以在具体的方案确定中，大电流、功耗，以及精度、误差等都是我们所必须要考虑和克服的。1.2.2 方案论证与比较方案一：键盘预设显示89C52电压-电流转换模块(包括了电流采样电路)D/A转换实测显示 图一 数控直流电流源一图一所示 ，此方案中，利用高精度D/A转换器在单片机程序控制下提供可变的高精度的基准电压，该基准电压经过V/I转换电路得到电流，从而达到数控的目的。该方案的难点在于稳定恒流源的设计和高精度电流检测电路的设计。特点是可精确的控制电流的步进量，负载变化对电流输出的影响较小 。方案二：可控电流源可编程数字电位器89C52预测/实测显示电流检测采样模块比较器模块键盘 图二 数控直流电流源二此方案采用的原理是保持电压恒定而改变电阻阻值的方法来达到改变电流的目的，由于采用的是可编程的数字电位器，因此也可以通过单片机的控制来实现数控。由于改变的是电阻，所以就需要一个精准的外加电压源，但由于数字电阻的电阻变化呈非线性，因此在编程方面的要求就比较高了，再加上功率的损耗和电阻精度的问题，所以利用可编程的数字电位器并不是一个理想的选择，在思路渐渐清晰以后，我们排除了这种方案。综上所述，我们最终采用了方案一来设计题目要求的数控直流恒流源。2. 单 元 模 块 方 案 的 设 计 和 论 证根据选择方案，本设计由电源模块，键盘显示模块，D/A模块，电流源模块组成。2.1电源模块电路的设计方案本系统需要多个电源，单片机使用稳压电源，AD667转换器、运放等需要稳压电源。电源虽简单，但在高精度的系统中，尤其有纹波要求（本题目纹波电流）时，有着非常重要的作用。方案一：采用升压型稳压电路。该电源减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定运作，其原理图如图三所示： 图三 电源一方案二：采用线性稳压电路。交流市电经桥式全波整流，电容滤波，三端稳压器件稳压产生各种直流电压。运放、D/A转换芯片的分别用法LM7815、LM7915稳压输出，单片机系统用由LM7805稳压得到。电流源部分由于需求功率较大，故采用输出电流为3A的可调三端稳压器。其原理图如图四所示：图四 电源二 鉴于方案二的优点，我们采用方案二。2.2显 示 模 块方案一：用液晶显示屏（LCD）显示。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危害，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，且有可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。但由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。方案二： 用LED显示。静态LED显示连线复杂，且较占空间。本设计采用专用数码管显示芯片MAX7219驱动动态数码管显示。MAX7219是八位串行共阴LED数码管动态扫描驱动电路，其峰值段电流可达40mA，最高串行扫描速率为10MHz，典型扫描速率为1300Hz，仅使用单片机3位I/O，即可完成对八位LED数码管的显示控制和驱动，节省了单片机端口资源 ，线路非常简单，控制方便，外围电路仅需一个电阻设定峰值段电流，同时可以通过软件设定其显示亮度；还可以通过级联，完成对多于八位的数码管的控制显示。值得一提的是，当工作于关闭（SHUTDOWN)方式时，不仅单片机仍可对其传送数据和修改控制方式，而且芯片耗电仅为150uA。原理图可以用下图来表示：在该模块的方案选择上，我们首先考虑的是采用液晶显示，虽然可以使用TS1602作为液晶显示模块，但因为它是并行接口的，使得单片机的I/O接口有很大一部分就分配给了它，考虑到电路的整体设计及单片机接口的使用，我们放弃了用TS1620作为显示，从而想到了用串行接口的液晶显示，但又因为其复杂的编程，觉得没有必要。最后还是选择了数码管作为显示：本设计要求输出电流为可调，若以毫安为单位输出，仅需一个四合一共阴极七段显示器就可以完成题目的设计要求，程序简单，成本较低。输出电流的测量显示直接采用4位半的电压表头，并将电流取样电阻上产生的压降直接送往电压表头，即测量的电流值是经过换算而成的。2.3 D/A 模 块本设计中采用了12位的DAC模块，提供高精度的基准电压，即通过CPU发出的二进制转换为的模拟电压，送给误差放大器，实现步进要求。根据题目扩展功能要求输出，以为步进，需要的级数为：因210=10241980750.3)取样电阻的选择：为保证电流源的精度，取样电阻需要采用高精度的电阻。同时为提高电路精度，应尽可能获得大的取样电压，即尽量大的取样电阻。由于电路输出为大电流，最大值为，其上消耗的功率最大值，由于： 。 由（是调整管上压降），设不变，若取值太大，其上压降也变大，导致值变大，对电源提出更高的要求基于上述两种考虑，用温度系数为锰铜丝绕成的精密绕线电阻，并取, ，由于功率较小，温升对电阻的影响极小，可忽略不计，从而保证较高的精度；，此值不会对过高的要求。将上述问题解决后，可得出具体的电路图如下所示：该电路中的V+为LM350K输出的大功率直流电源。 对该电路进行理论分析： 由电路图可知。负载发生变化时，引起的变化，由特性曲线知，在放大区内，不随变化，即也不变，从而保证输出电流的高稳定性。输出电流经反馈电阻得到反馈电压（）（） （）假设运放为理想运放，则，由（）（2）（3）式可得令带入上式不考虑反馈电流，则有 （4）由（4）式可知， 当运算放大器的开环增益足够大时，输出电流与输入电压的关系只与反馈电阻有关，因而具有恒流特性。取电路中示值时，输出电流在内与010V输入电压保持良好的线性关系 若要得到可变的输出电流，可以改变或者。由于1） 改变的不可行性：由式子知，与成反比例关系，电阻变化时，不能随其线性变化，不易控制2） 改变、哪个易行：从电路的具体实现来看，改变远比改变容易的多，且宜控制精度。3） 改变的方法：一种是采用高精度的D/A输出电压得到，另一种是采用分压得到。若想得到相同的精度，后者比前者在电路实现上要复杂的多。所以本方案采用精密绕线电阻且取定值，改变输入电压的方法得到可变恒流()，尤其是其可从起调。该电路经过测试检验，稳定可靠，精度很高，且在步进可调，采用此电路是成功的。3. 软 件 设 计3.1 程 序 说 明软件部分需要解决的问题是根据键盘输入的预置电流值转换为误差放大器的高精度基准电压，并跟踪显示。因此，本设计的软件部分功能模块可分三部分，即键盘、显示和对D/A的控制，此三部分程序都比较简单，很容易实现。为了让键盘输入的键值、LED显示的数值以及输出给D/A的数据同步，程序设了2个全局变量，用来统一三部分的运行。3.2 程 序 流 程 图 开始初始化有键按下？计数器加1延时10ms清标志和和计数 器有键按下？到200？置第一次标志计数器减10计数器加1LED显示返回D/A转换N YNNYY快/慢键4 系 统 指 标 测 试4. 1每步进1mA时的误差检测预设电流（mA）01220212210001001100219992000实测电流（mA）01220212210001001100219992000绝对误差000000000004.2每步进10mA时的误差检测预设电流（mA）010203010001010102019902000实测电流（mA）010203010001010102019902000绝对误差0000000004.3电流随负载的变化检测当电流为1A时R（）1953电流（A）1000100010004.4纹波电流(负载5)电流（mA）0500100015002000纹波（mV）0.2 0.180.180.280.24纹波（mA）0.040.0360.0360.0560.0485 系