【毕业学位论文】(Word原稿)数控直流电流源

数控直流电流源 作者：李高望 陆樨 张江松 摘 要 利用单片机所具有的智能测控特点，设计制作了基于单片机的“数控直流电流源”。该电流源具有设定准确、输出电流稳定、可调范围全程线性等特点。本设计由两大模块组成： 大功率压控电流源模块； 单片机应用系统模块。前者是电流源的核心，起着恒流调节、抑制纹波电流的关键作用；后者则起着设定电流源输出、改善电流调节精度、消除小电流输出的非线性等作用。此外，还实现了变增益测量，提高了电流的测量精度。本电流源采用 示界面，使用直观方便。 y of of is be at a is of CU is of of of at by In to so we of CD to 一、方案论证 本系统主要由单片机、显示器、键盘、 A/D 转换器、 D/A 转换器、电压控制电流源模块、电源等组成。方案设计与论证如下： 1单片机的选择 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 转换器等外设即可，其他并无特殊要求。常见的单片机有 8051 系列的单片机、 8096系列的单片机、 凌阳单片机。台湾凌阳科技股份有限公司生产的凌阳单片机具有集成度高、易于扩展，中断处理能力较强，指令系统很高效等特点，且本组成员均能够熟练使用，故本设计选择凌阳 16 位单 片机。 2显示器的选择 对显示器的要求：能够显示设定的输出电流、实际输出电流等；可以用 6 位以上 码显示器、液晶显示器或者触摸屏， 用比较方便，但液晶显示器和触摸屏显示信息量大，且可以显示汉字，人机交互的友好性强，所以不采用数码显示器。而触摸屏同时将键盘输入和 示合为一体了，它只占用了 2个 ，选择它既可以减少 的资源，又可以使外设精简。故选择触摸屏作为显示器。 3键盘选择 单片机输入设备通常有键盘、拨码开关、触摸液晶屏等，也可以采用红外遥控的方法进行输入。鉴于本设计中的输入设备主 要用于设定输出电流值和（采用 码显示器时）切换显示内容，故不方便采用拨码开关和红外遥控，所以选择键盘和触摸液晶屏作为输入设备都是可以的。本设计选择触摸液晶屏作为输入设备。 4 A/D 转换器 根据题目要求，系统应能测量显示实际输出电流的范围及精度指标是：范围 20 2000度 1此可知， A/D 的精度至少要在 12 位以上，但由于只是用于测量显示，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变增益功能的 A/D 转换器。 方案一： 美国 司生产的 4 位半双积分型 A/D 转换器，它采用单基准电压，能对双极性输入的模拟电压进行转换。它具有自动量程控制信号输出，自动极性判别信号输出，动态字位扫描 输出的特点，因此在转换精度要求较高而采样时间可以相对较慢的数据采集系统中被广泛应用。 方案二： 16 位分辨率的 A/D 转换器， 2 通道全差分模拟输入，使用 5V 单电源，主要应用于低频测量。它利用了转换技术实现了 16 位无误码性能，三线数字接口，可以通过串行输入接口由软件配置芯片的增益值、输入信号极性和数据更新速 率，非常灵活方便。具有自校准和系统校准功能，能够消除器件本身和系统的增益以及偏移误差，是用于开发智能系统、微控制器系统和基于 统的理想产品。 由于其精度比 ，所以此处采用 5 D/A 转换器 根据题目要求，所设计的直流电流源应具有数控功能，按发挥部分的指标要求，应满足输出最大 2000进 1要求；又因为所设计的直流电流源为压控电流源，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 的位数至少为 11 位，故而我们选择 12 位的 D/A 转换器。由于系统 对输出电流设定的实时性没有要求，所以选择串行 12 位 D/A 节约单片机接口资源。 司生产的 12 位双通道、三线串行输入、电压输出的 D/A 转换器。它不需要任何外围器件就可达到最佳的性能指标。 6压控电流源 电压控制的电流源模块，可采用的方案有以下三种： 功率集成运放，如 ； 运放晶体三极管放大； 可调集成稳压模块，如 方案一：直接使用功率集成运放。特点：使用容易、性能稳定可靠。常用的功率集成运放一般能够输出 40V， 10 15A 的功率，性能指标也较高，完全能够满足本题要求。功率集成运放还可以双极性输出，但本题只需单极性输出，却需要为功率集成运放配置正负双电源。 方案二：利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。特点：直接利用稳压片提供所需功率，只需要添加相应控制电路即可实现本题的大部分要求，但是，其电流调整率指标只能达到 不满足题目要求， 方案三：采用“运放功率三极管”的结构构成恒流源。特点：性能满足本题要求，同时可以通过选用功率三极管的不同容量来满足不同的应用要 求。 鉴于上述原因，我们选用方案三。 7电源 设计了两套直流稳压电源，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。 （ 1）为单片机系统提供电源的直流稳压电源 该电源按常规设计，输出电压等级有 5V， 15V。电路原理图如图 1、图2 所示。 图 1 +5V 电源 图 2 5V 与 15V 电源 （ 2）为电流源负载提供功率的电源 在对为电流源负载提供功率的电源进行设计时，我们考虑了两套方案：直接采用不稳压的整流电源； 采用直流稳压 电源。考虑到系统对容量的要求以及对纹波电流的要求，我们选择了用 成的可调稳压电源。其优点是： 可以进行预稳压，以提高输出电流对输入交流电源电压变化的稳定度； 为压控电流源电路提供具有稳压特性且很小纹波的高质量的工作电源，以有效降低输出电流纹波系数； 可以根据输出电压要求合理整定压控电流源电路的工作电压，在 末级功率三极管间分散负担并合理分配功率损耗，方便散热；其电路原理图如图 3 所示。 图 3 21V 可调电源 稳压电源电路输出电压为： 1 1+ 2 输出调节电路中固定电阻 1取 150，此时 o 212 位器 0k 精密线绕电位器，因整流桥输出为 26V 直流电，故 满足 15V 需求，经测量，最大可达到 21V。输入输出端滤波电容各取 2 4700 F，以减小纹波电压，稳定输出电压，增强带负载能力。选取 防止输出输入短路时烧毁芯片。 二、电路设计 1 A/D 转换（ (1) 资源分配 了使将它的数据更方便的读出来，将它放在第一位，初始化为带上拉电阻的输入口； 始化为带上拉电阻的输入口； 数据缓存器输出低电平； 数据缓存器输出低电平； 数据缓存器输出低电平； (2)硬件电路设计 图 4 为 引脚连接图。 图 4 引脚连接图 23 脚间的晶振用小的好，这里采用 1电容效果更佳。 地。 在电源 触处，加两个 滤波电容，一个 10 F 的电解电容和一个 的独石电容，以稳压用。芯片的电源供电越稳定，纹波越小，其性 能越好，采样值越稳定。 2 D/A 转换（ (1)资源分配 相低电平输出； 相低电平输出； 相高电平输出。 (2)硬件电路设计 如图 5 所示，在正电源 负电源 也加上了两个滤波电容，一个10 F 的电解电容和一个 的独石电容，同 的同样是稳压。可以是电源纹波小，使芯片工作时性能好，输出的波形更加稳定。为之后稳定电流的输出奠定了良好的基础。 图 5 引脚连接图 3压控电流源 模块 电压控制的电流源电路如图 6 所示。 压控电流源模块主要由给定与比较放大单元、功率放大单元和电流反馈单元组成。给定与比较放大单元由 其外围阻容器件组成，起着计算给定电流与实际输出电流偏差并进行放大的作用。与 联的电容器 加速反馈的作用，与运放反馈电阻并联的电容器滤波作用，二极管 电压钳位作用，用以保护运算放大器；功率放大 单元由 其配套阻容器件组成，为满足最大输出容量（ 10V， 2000要求，选取最严重工况（负载端短路且输出 2000算 功率损耗： （ 10 5） V 2A 30W 式中， 5V 是考虑电流源输出 10V 电压，输出 2A 电流时，为 出的 间电压。为可靠起见，留有足够的功率裕量和安全系数，选择 型号为： 2 图 6 电压控制的电流源 其主要技术参数如下： 100V， 25A，允许管耗 300W。 纹波抑制作用，二极管 以保护功率三极管 止其承受反压而损坏；电流反馈单元由仪用放大器 低噪声运放 成，前者对串联在负载回路的康铜丝两端电压进行取样，康铜丝是一种温度特性佳的阻性元件，其两端电 压正比于流过的电流，因此该电压的反馈就是负载电流的反馈。仪用放大器具有极强的抗共模干扰的能力，特别适合对小信号进行放大。 为二级放大且其输入端设置一个反馈系数调节用的精密电位器，起着输出电流校正之功用。 4负载电流、负载电压的测量 负载电流、电压测量电路如图 7 所示。负载电流测量电路与电流源电路中的电流反馈环节相同，可调电位器用作测量回路的增益；负载电压测量电路具有相同结构，只是 取样点是经 压得到的，以保证 作在最大允许输入电压值的范围内；注意到负载电压测量电路的这种取样方式，实际所测的是负载电压与康铜丝电压之和，真正的负载电压需要减去康铜丝电压。设置测量上述两个测点的电压，可以直接得到负载电流并通过计算得到负载电压以及负载的直流电阻阻值。 图 7 负载电流、电压测量电路 触摸屏的型号及具体参数 触摸液晶屏是采用 司的触摸屏控制芯片 于置 12 位 A/D，理论上触摸屏的输入坐标识别精度为有效长宽的1/4096。它是一个低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压 5V，参考电压 1V 换电压的输入范围为 0 高转换速率为 125 触摸屏控制芯片 电路图 触摸液晶屏的控制芯片， 51 系列单片机。 图 8 触摸和显示主电路 三、软件设计 1 主程序流程图 主程序流程如图 9 所示。 图 9 主程序流程图 2 A/D 转换（ 收数据的流程图与发送数据的流程图 ，此处不再赘述。但对于编程中需要注意的地方，做以下说明。 每次对芯片发数据的时候，都要首先对通讯寄存器写数据，否则一切指令无效； 对于选中芯片，可以有两种方法： S 脚置低； 低以后再置高，使芯片复位一次。 一般情况下选择方案 a，但若开始转换以后不能停止，而导致数据出错，就必须用方案 b。此处我们采用方案 b，以防万一。 在拉低 后，要给予足够的时间让芯片复位，否则复位时间太短也会导致出错。程序中许多延时是必须的，因为 于低频高精度 A/D 转换器。 此 处我们采用了双通道 A/D 采样。一通道对康铜电阻采样，目的是为了显示当前电流的输出值。二通道对可变负载电阻两端的电压采样，此处是我们的发挥部分，目的是测出了负载两端的电压值，输出的电流又是已知的，从而可以测得负载电阻的当前值。 3触摸屏的程序设计 触摸屏的主程序流程图如图 10 所示。 开始 始化 输入电流设定值 出 负载电流测量 显示 扫描键盘 图 10 触摸屏程序主循环流程图 四、性能测试 1测量仪器 （ 1） 字万用表 6 21 高性能数字万用表，可以高精度测量电压与电流。 测量电流 量程： 10适用于 100适用于 1A、 3A。 最高分辨率： 10 10程）。 术： 合。 测量电压 量程： 1001V、 10V、 100V 或 1000V（ 750 最大分辨率： 100 100量程时）。 术： 合测量。 （ 2）示波器 采用 通道数字存储示波器，最大带宽 601GS/s。 2校准 （ 1）设定值校准 在负载回路中串联接入精密电流表计，设置 D/A 输出值为 4000（ 12 位 D/A，否 是 否 是 开始 延时去抖 取触摸屏 换值 转换键值 显示处理 向上位机传送设定值 触摸屏有按下 触摸屏有按下 对应电流 给定值 2000调节反馈增益电位器，使电流源输出 2000 （ 2）测量值校准 在精密电流表计显示 2000，调节测量回路增益电位器使单片机显示2000 3 测量数据记录 测试设定电流与精密电流表的电流读数，同时对比单片机的实测电流显示值，记录在表 1 中。 表 1 测试数据统计 电流设定值 Ip/流实际值 Io/片机显示 Is/波电压 Vw/5 0 0 0 00 00 00 000 400 800 000 020 变负载电阻，让输出电压从 0 10V 以内变化时，测出输出电流变化的绝对值，测试结果如表 2 所示。 表 2 电流随 负载改变的测试数据 设定电流值 /电压值 /V 输出电流值 /流变化绝对值/0 00 2000 注：由于电阻负载比较小，所以电压范围不大。 4 结论 电流设定值 输出电流与设定值偏差的绝对值， |偏差绝对值占电流设定值的百分比，题目要求其百分比要不大于 1： p 100 单片机显示值， 电流实际值， 电流实际值与单片机显示值偏差的绝对值 |偏差的绝对值占单片机显示值的百分比， s 100 表 3 数据处理和误差分析 电 流 设 定 值Ip/出电流与设定值偏差的绝对值Ia/差占电流设定值的百分比 电流实际值与单片机显示值的偏差 Id/差占单片机显示值的百分比 15 0 0 0 00 00 00 000 400 800 000 2020 ：计算 ，未减去 1算 未减去 3 个字。 测试结果表明，所设计制作的“数控直流电流源”符合设计任务规定的基本部分和发挥部分的各项要求，达到 了发挥部分规定的各项性能指标。 五、误差分析 由于选择 A/D 与 D/A 转换器精度高过指标要求的精度 2 倍以上，测量器件采用高精度仪用放大器，所以可以保证设定值和测量值的精度要求； 采取抑制高增益电路振荡的有效措施和使用高质量稳压电源供电等措施，使得输出电流的谐波大大低于设计要求； 为弥补负反馈增益偏低负载调整率不够的不足，采用了双闭环控制手段，大大提高了系统的稳流精度。 六、创新部分 1利用单片机的测控和运算能力实现输出电流的精度补偿 精度补偿原理：将实测负载电流与给定电流比较，求出偏差，再根据偏差的方向及大小，用“积分”的调节计算方法，计算得出补偿值，将此补偿值迭加到给定电流上，一起送到压控电流源单元的输入端，即可实现“无差调节”，即做到输出电流完全等于给定电流。精度补偿效果的好坏，关键在于能否做到高精度地测量负载电流。 2 设定值与输出值低端的非线性补偿 电流源在小电流输出时，由于地噪声的干扰，使 D/A 输出电压的信噪比大大降低，导致设定电流与实