【毕业学位论文】(Word原稿)数控直流电流源设计

数控直流电流源 (F 题 ) 1 目 录 一 方案设计与论证 体设计方案与比较 模块电路设计及比较 *4键盘工作原理 值处理原理 序流程方框图 序清单 系统测试 能测试 数据处理 铜丝阻值测试 差测试 发挥与创新 考文献 器仪表 录 控直流电流源 (F 题 ) 2 数控直流电流源（ F 题） 摘 要 : 本设计分四个模块：单片机控制及显示模块、数模（ D/A）转换模块、恒流源模块、输出显示模块。单片机控制模块以单片机为核心，对输入电流信号进行转换成数字量输出；恒流源模块将 D/示模块有两个：一个是由 74示预值；另一个是在输出端以 ，显示实际测量值。此外，本设计可实现电流 0 21 10时有数码显示输入的电流值。 关键字： 键盘控制 D/ 恒流源 A/is on a of of a DA a a a It a mA 0mA by +”-”. of It is of of is to be by D/A A/D 控直流电流源 (F 题 ) 3 一 方案设计与论证 总体设计方案与比较： 方案一：通过编码开关来控制存储器的地址；根据地址输出对应的数字量送数模（ D/A）进行转换；再根据输出的电压量来控制电流的变化；同时；通过四个编码开关的 送给 4511及数码管显示。此方案的优点是电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限，在实验过程中发现编码开关不稳定，所以不宜采用。其电路方框图如图 示： 图 方案一方框图 方案二：采用以 89核心的单片机系统来控制 12 位 数据的输入并将其转换成模拟量输出 同时单片 机 把输入的预值电流送数码管显示， 再根据输出的电压量来控制电流的变化，此方案的优点是输入的预值电流信号稳定且避免了大量的数据存储，所以 电路设计和制作采用方案二。其电路方框图如图 示： 图 案二方框图 二 模块电路设计及比较 系统硬件以 片机为核心，外围包括电源模块、数码管显示模块、 D/A 转换模块及恒流源模块。 数控直流电流源 (F 题 ) 4 2 1 电源模块 本设计共用到电源有三种：即 5V +5V +21V. 源原理 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图 源方框及波形图 a 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压 3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压 得到较平滑的直流电压 b 稳压电路：由于得到的输出电压 入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压 +5V 其中 +5 V 给 电； 考电压。由于要求输出的电流最大值为 2000且取样电阻为 1 欧所以 要求 出的电压至少为 2 伏，通过计算 的电压足够实现上述要求。 图 5要用于单片机（ 数码显示（包括 74键盘。 图 1 由于要求输出的电流最大值 为 2000且主要电流从它通过，所以要用大电容，本设计采用两个 470050同时为了减小纹波系数本设计在两个电容之间接入有源滤波电路 )，由于的 耐压值最大可达 42V，所以 。 图 5V 电源原理图 数控直流电流源 (F 题 ) 5 图 5V 电源原理图 图 源原理图 码管显示模块： 74串行输入并行输出的移位寄存器，可以作为静态显示器接口，接在 89串行口上用于数码的显示。数码显示模块如图 图 值数码显示模块原理图 利用 转换器组装成 该电路为 电路采用标准的 显示电路进行显示，其中最高位可以显示 千位的 “ 1”和显示负号。此外，由于该电路的两个输入端即 V+端的电位差具有很高的稳定性，可以作为参考电压源。因此，可以通过分压的方法来扩大它的量程。由于两个输入端最大承受电压为 200此要实现最大值为 2000设计所采用的）如图 数控直流电流源 (F 题 ) 6 图 字电压表的外接电路 通过上面的电路可以测量最大值为 2000电压 而在本设计中的采样电阻为 1欧所以被测电压值即为被测电流值 . 图 数字电压表原理图 数控直流电流源 (F 题 ) 7 ： 5模转换公式： )2222(2)(2 001110101111121212 r e r e （ 2 例如 : 111111111111）且 5V，则： )2222(2 5 01101112 （ 2 当 100000000000）且 5V,则： 2222(2 5 00001112 （ 2 由于该设计的发挥部分要求步进 1 毫安；基与此，本设计将采用 12 位数模转换来代替0 位数模转换。 图 片管脚图 流源模块 方案一：本设计在起初利用图 恒流源电路 ， 运放的输出端通过三极管与反向输出端相连，构成负反馈电路，由于运放的同相输入端与反相输入端在理论上是虚短的，且运放的输入电阻无穷大，因此反相端和同相端的电位相等， 即 ,又由于三极管的发射极 1 与集电极电流 相差微小的基极电流，可视为两者相等即 。因此可以通过改变同相输入端的电压来调整输出电流 大小。 例如： 时， 12 但是在测试 控制比预期效果差，总是小于理论值。 方案二： 运放的反相端输入端与输出端同样采用负反馈电路，但是由于在反馈电路中加入了可调电阻，使得取样电阻上的电流可以微调，实现输出电流与理论值相同，大大提高了输出电流的精度，又由于运放的同相输入端的信号来自与数模转换模块的运放输出，稳定度很高。所以恒流源采用方案二。原理图如图 中输出端取样电阻为 1欧大功率电阻；康铜丝具有功率大，受数控直流电流源 (F 题 ) 8 热情况下其阻值改变不大，所以采用康铜丝代替。（其阻值采用 精确测量）。 图 案一恒流源电路原理图 图 案二恒流源电路原理图 数控直流电流源 (F 题 ) 9 三 软件设计 本作品使用 是以 使用时先在 后保存程序、建立新项目、设置项目，接着编译程序，最后调试和执行这样一步步来实现仿真。 本作品软件要实现的功能是：键盘对单片机输入数据，单片机对获得的数据进行处理，送到 12位数模转换器（ ,再送到恒流源模块，实现数字量对电流的控制。模块框图见图 片机模 块方框图 *4键盘工作原理： 键盘对单片机输入数据，键盘为 4*4 矩阵键盘， 用 并行口 4 4 矩阵键盘，输入线，以 输出线 4 4 矩阵键盘识别处理每个按键有它的行值和列值 ，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和 个按键的状态同样需变成数字量“ 0”和“ 1”，开关的一端（列线）通过电阻接 接地是通过程序输出数字“ 0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下 ，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。键盘原理图见图 控直流电流源 (F 题 ) 10 图 盘原理图 值处理原理 键盘对单片机输入数据，（所要得到的电流值），单片机将得到的数据进行转化成 D/A 转换器 假设键盘输入的电流值为 I,由于 12 位的 D/A 转换器，待转换的数字信号最大值为 2 13095,根据题目要求所显示的电流最大值为 2000 D/ （ 3 式中 为了单片机处理数据的方便，让 D/095时，输出的模拟信号最大值为 2047其线形关系为： 4 74 0 9 54 0 9 52 0 4 7（ 3 D/单片机 的 片机根据输入的 I 值乘以 2，再转换成二进制数字信号，送到 。启动 D/A 转换即可输出所需要的模拟信号值。 数控直流电流源 (F 题 ) 11 主程序流程图： 图 程序流程图 数控直流电流源 (F 题 ) 12 盘处理流程图 序清单 程序清单见附录。 四 系统测试 本设计可实现 0到 2A 之间任意预置值（ 0000，同时具有 +/。 本设计要求输出电流范围为 2002000据图 流源模块可知，采样电阻两 端电压为 2002000电压值可以推算出数模转换模块的参考电压 少为 2伏（ 0） 。本设计的 2000以输出电流为 0题目要求在 2002000任意预值，本设计可实现 0 2050预值。本设计通过键盘输入电流值送单片机 (单片机根据输入的键值，将模拟量转换为数字量送给模数转换电路；然后输出模拟量。下面列出部分电流值及其对应的理论和实际的数字量如表 控直流电流源 (F 题 ) 13 表 值测量值 电流值 （ 理论值 实际值 2047 0024 07712 03356 01128 0004 007F 007D 32 003F 003C 16 001F 001E 8 000F 000D 4 0007 0008 2 0003 0002 1 0001 0001 进测试 题目要求具有“ +”“ -”步进调整功能，步进小于等于 10挥 部分要求步进 1设计具有步进调整 10全符合发挥部分的要求并对功能进行了扩充。 波电流测试 本设计要求电流小于 据恒流源模块电路，用低频交流毫伏表测采样电阻（康铜丝绕制而成，由于该电路为直流电路没交流成分，所以不会产生感抗）两端的电压，同过公式：纹波电流（ = 纹波电压 (采样电阻（ 1欧），通过测试，列表如下： 表 波系数测量 电流值 (交流毫伏表读数 (示波器读数（ (200 00 000 500 000 ：交流毫伏表型号为：苏州电子仪器厂生产的 示波器的型号为：江苏电子仪器集团有限公司生产的 纹波系数测试 由于电源电路存在纹波系数，必须尽量减小纹波系数，本设计采用措施有： 电源大面积共地（注意大电流与小电流不能共地） 数控直流电流源 (F 题 ) 14 在整流桥后加大电容虑波，本设计采用约为 10000 为了进一步避免纹波电压对电路的干扰而产生的纹波电流，本设计又加入了有源滤波电路。电路如图 滤波效果相当于 121 C 的容量的电容的滤波效果这样进一步减少了纹波电流系数 图 源滤波电路 五 数据处理 电路中需要 1欧的大功率电阻，本设计用 京瑞普电子仪器厂生产）测量康铜丝的阻值，该仪器短路电阻为 ，加上康铜丝后电阻值为 ，误差为 度为 差测试 下面列出部分电流值及其对应的理论和实际的数字量，其中对应码值为输入电流对应数模转换所需要的码值，实际码值为单片机根据输入电流值处理后送到数模转换器的码值如表 数控直流电流源 (F 题 ) 15 表 差测试表 输入电流值（ 理论码值 实际码值 实际电流值 (误差 (2047 0047 0 1024 077025 1 512 03313 1 256 01156 0 128 00028 0 64 007F 007D 64 0 32 003F 003C 33 1 16 001F 001E 16 0 8 000F 000D 8 0 4 0007 0008 4 0 2 0003 0002 2 0 1 0001 0001 1 0 通过测试发现，结果的最大误差为当输入电流为 32，误差为 3 而题目中发挥部分要求输出电流变化的绝对值输出电流的 1 本设计测量出来的误差值小于规定的 误差值。 六 发挥与创新 （ 1） 输出电流范围为 02050进 1能比发挥部分功能更优越； （ 2）具有测试与显示输出电流的数字显示表 ,测量误差的绝对值测量值的 +2个字 ,达到发挥部分要求； （ 3）改变负载电阻，输出电压在 10求输出电流变化的绝对值输出电流值的 1 （ 4）纹波电流达到规定要求小于 （ 5）其他 :本设计具有利用数字拨码开关 ,可使系统脱离单片机工作 ,这样可以校正系统误差 详细介绍见各功能模块介绍。 数控直流电流源 (F 题 ) 16 参 考 文 献 1 童诗白，华成英 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2003 年 2 陈明荧 8051 单片机设