【毕业学位论文】(Word原稿)数控直流电流源设计报告

数控 直流电流 源 设计报告 扬州大学 学院：信息工程学院 作者：嵇春凡、刘德银、周磊 摘 要 本文采用自顶而下层次化方法和在系统编程技术设计数控直流电流源系统。通过方案设计论证确定出系统结构组成和工作原理。该系统由控制器和外围电路组成，控制器由加减计数器、七段译码器和 二进制码转换模块等组成，用键盘设定电流，用加减计数实现 101流步进，用数码管显示电流值，用 二进制码转换电路输出与电流对应的二 进制码，该部分设计在在系统编程芯片内；外围电路由 D / A 转换电路、电源电路、恒流源电路和输出电流显示等部分组成，用于把设定电流所对应的数字量再转换为与之相对应的实际电流值并显示出来。经过组装测试：基本要求所能实现的输出电流范围为：2002000进 10差的绝对值 1% +10波电流 2全符合要求。 发挥要求所能实现的输出电流范围为： 202000进 1差的绝对值 0 . 1% +1波电流 以同时显示电流的给定值与实测 值 ,符合要求。 关键字 ： 在系统编程技术 数控直流电流源 电流步进 一 设 计 指 标 1 . 基本部分 （ 1）输出电流范围： 2002000 （ 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 （ 3）具有“ +”、“ -”步进调整功能，步进 10 （ 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 （ 5）纹波电流 2 （ 6）自制电源。 2、 发 挥部分 （ 1）输出电流范围为 202000进 1 （ 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 +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 1 （ 4）纹波电流 （ 5）其他。 二 方案比较及论证 基本部分总体方案确定 方案 1. 利用 为控制器，以它为中心设计外围电路，并利用 D/A 转换形 闭环回路。 图 1 总体方框图 数控直流电流源由键盘、控制器、显示器、数模转换、电压电流转换和模数转换等部分组成， 键盘的作用是设定电流值和确定电流步进值；控制器的作用是将设定电流值的 8 位（或 12 位）二进制输出；显示器的作用是显示设定电流值；数模转换的作用是设定电流值的数字量转换为模拟量；电压电流转换的作用是将电压转换成恒定电流输出；模数转换 的作用是将输出的模拟量再转换为数字量反馈到控制器，使实际输出电流值与设定电流值一致。 方案 2:利用单片机作为控制器，外围配显示器，键盘， D/A， A/D，信号放大电平转换，差动放大，压控恒流源，负载及采样电阻组成。 2 2 控制器方案的选择 控制器主要有单片机和可编程器件，单片机做主控器件，由于单片机在科学计算，数据处理，过程控制，仪器仪表，辅助设计等方面有着广泛的应用，操作起来简便，而且单片机在适时控制方面有它独特的优势，本次电流源的制作正需要步进控制；而且可以用已经做好的单片机开发板， 用在显示和控制方比较方便。但是由于单片机的 I/O 口相对有限，需要用 8155 等可编程器件进行口的扩展，操作相对复杂，而且对于反馈回来的数字信号不好处理；相比而言使用可编程芯片，如 控制时序方面有它独特的地方： (1) (2) (3) 可靠性高； (4) 实现了硬件设计的软件化。基于以上优点以及我们对于 成熟应用，因此我们决定用 作为控制器。 2 数模转换模块的实现 由于设计指标中要求输出电流的误差为 1%+10 八位的转换器，误差为1/256，误差指标满足要求，故选择 为数模转换芯片；但由于 电流输出型 D/A 转换，要获得模拟电压输出，要外加转换，以实现电流 /电压的转换。 2 4 电压电流转换的实现 基本电压电流变换方式，由图可以看出在线性范围内，输出电流为 I=2 其中 取样电阻。但此电路的输出电压要小于运放的最大输出电压，电流要小于运放的最大输出电流。，而设计中要求的电流，运放不能满足，不能选择此方案。 稳流电路基本上都是串联调整式稳流电路电路形式与串联式 线性稳压电路类似，其区 别在于取样电路的接法不同。稳压电路是取样电路与负载并联，取其输出电压的变化量控制调整管稳定其输出电压；稳流电路则是取样电路与负载串联，负载电流的变化量由取样电路转换成电压变化量，去控制调整电压使其输出电流稳定，共原理电路如图所示 ,图中 取样电阻， 变化量反映在 压降的变化量，电压变化量送如比较放大器 A 中放大以后控制调整管 T 的压降 保持 定 ,若要求 调，则 改用可调电阻 。 图 3 中的调整管 T 可以来用大功率三极管 ,也可以来用功率 用 且性能稳定、电路简单。比较放大器通常均采用集成运算放大器或三极管放大器。基准电压可采用稳压二极管或精密电压基准集成电路。也可以通过调整基准电压来控制输出电流 . 如果将稳定的电源加在固定电阻的两端，那么流过固定电阻的电流必然 是恒定的，这是又一种稳流电路方案。通常称之为并联型稳流电路。显然，并联型稳流必须首先获得稳定的电压。实用中也可以采用集成稳压器 构成 (见图 3 12)。 输出端之间为固定的基准电压 在固定电田 R 两端就可得到恒定的输出电流 果将 在可调电阻 端，就可得到稳定的可调输出电流 图 4 中所示 图 4 所示电路的缺点是 包含了 控制端的输出电流它是随输入电压不稳定而变化的因此 J。的稳定性将受 影响。同时 J。将大于等于 不能提供小于 输出恒流 ,为改善输出电流 稳定性，可以在控制端上串接一个 极管，如图 3 13 中所示。图中 J 叫为三极管 T 的射极电流，基极电流 流 入了负载 为 一部分。因为 1+p)，则输出电流 稳定性影响减小丁 (1+P)倍，而且 最小值也可以降到大于 也减小了 (1+p)倍 . 但是该电路的数字可调性不好 ,不利于本设计的完成 . 综合以上 ,我们选择串联调整式稳流电路 . 2 5. 模数转换模块的实现 为了使输出的数据精确 ,采用了闭环反馈的形式 ,就需要将模拟量反馈到输入端，将采集到 的数据送到控制器。 通常两种采样方式：实时采样和等效时间采样，如图所示 1)实时采样 实时采样是在信号存在期 间对其采样 按照采样定理，采样速率必须高于信号中最高频率分量的 2 倍；对于周期性正弦信号一个同期内应该有两个采样点。如果考虑实际因素的影响为了不失真地恢复原被测信号，通常按照所采用的恢复方式选取相应的采样点数。这里，初步拟定采用样点直接恢复力式、为此一个信号周期内就需要采样 20 个点。为了简明起见，图中 个周期仅画了 3 个采样点 2)等效时间采样 由于采样器件工作速率的限制、实际上在信号的频率很高时就很难实现实时采样，尚且采样速率愈高采样器 (主要是 A D)的价格愈贵，有时设计者难以承受，但是 ，对于周期性信号可以采用等效时间采样方法。其中又分为顺序的和随机的两种等效时间采样方法。所谓顺序采样是对每 个信号周期仅采样一点经过若干个信号周期后就可以对信号的各个部分采样一遍。而这些样点可以借助步进延迟迟的方法均匀地分布于信号波形的不同位置。所谓步进延迟是每一次采样比上 次样点的位置延迟 时间、见图。有时对于很高频率的被测信号，可以借助分频的方法每隔 10、 100 甚至更多的信号周期采样一个点，但是样点之间的步进延迟总是必要的，以此方法采样仍然可以恢复原信号波形。此外，还有一种随机采样方式， 通常将等效时 间采样称为非实时采样。 图 6 实时采样和等效采样示意图 3)采样方式的比较和选择 等效时间采样虽然可以对很高频率的信号进行采样、但是步进延迟的采样技术是较难实现的。再者，对于本题中要求的采样速度不是很高， 这样采样速率的 A D 无论技术条件还是价格都不是困难的的，因此，在本设计中选用实时采样。 由于前边采用了八位的数模转换 ,这里取用八位的 换 ,选用 片 .，它的控制信号通过控制器送给。 2 6电 源 电 路 直流稳压的目的是要稳定直 流输出电压，理论上要求任何变化条件下，应保证输出电压稳定不变动。但是，在实践中有很多因素变化时，都将使输出电压产生不稳定而变化。这些影响输出不稳定的主要因素：输人电压变化 (包括电刚电压变动等 )，负载变动而引起输出电流的变化，温度变化，频率、导通时间的变化等，为尽量减少这些因素对输出稳定性的影响，就必须合理选择稳压电路的方案； 1)并联型线性格压电路方案 并联型稳压是将调整管和输人、输出 (负载 )并联实现稳压。这种电路方案具有低的动态输出电阻，因此负载调整率好：电路结构简单，并具有自动保护功能； 在负载短路时调整管自动截止，因此电路安全、可靠，但其最大的不足是效率低。当输入电压变化较大或负载电流最小时，调整管电流达最大，管耗很大、故效率很低，而且，该电路输出电压固定，负载电流变化范围小。因此，并联稳压电路方案可能不满足要求。 2)串联型线性稳压电路方案 串联型线性稳压电路从原理框图可知，该电路方案是采用了负反馈原理来进行稳压的，图中 输出变化量取样并与基准电压比较，比较产生的误差电压送入放大器放大，放大后的输出控制调整管调整 相应的变化，以实现输出 电压 稳 定。只要选用合适的器件，就完全可以使稳压电路达到要求的电压但是因为该电路是线性稳压电源调整管工作线性放大区提高是个难题。 3)开关型稳压电路方案 开关型稳压电路的优点是效率高、输入电压范围宽，可以以直接从市电 220 v 进行整流输入，省去电源变压器，体积小。重量轻。输出电流可做得较大，但输出电压调节范围不大，下限电压不能达到零：最大的缺点是输出纹波电压大。 因此，开关稳压电路仅适合于大电流、大功率、输出电压稳定性要求不高的固定输出电压场合。 综合考虑选择串联型线性稳压源 。 2 7 扩 展 部 分 要实现扩展部分的功能主要是提高 D/A 转换的精度 ,以及反馈的稳定度 ,为此 ,可以选择 12位的 D/A 转换器和 A/D 转换器 ,提高输入电压 选择高稳定的采样电阻和低失调电压的运放管。 综上 ,系统的总体框图见 图 8 实现方案类似基本部分，只是在加减计数器位数和数模转换位数有扩展 。 图 8 扩展部分总体框图 由于指标中要求电流的步进电流小于等于 10这里可以取为 10而输出电流范 围为 200000么在可编程器件中计数器就可以选择从 20 到 200 计数 ,将产生的数字信号送到显示模块 ,并进行数制的转换 ,将信号送往 D/A 转换 ,产生相对应的模拟电压 ,并将这个电压作为基准电压来控制电压 以产生相对应的模拟电流 ,由于存在着误差 ,要将输出的电流反馈到输入端进行调整 ,就需要有模数转换模块来将模拟值转换成数字量 ,送到控制器中进行比较 ,进而做出调整 ,形成一个完整的闭环系统。 3 软件设计 3 1 基本部分的软件设计 软件设计采用了自顶向下层次化设计方法，在 司的 I 软件环境下设计。 基本部分软件设计框图见图 9 ，由加减计数器程序、 到二进制码转换电路、比较器、 A / D 转换控制程序组成： 图 9 基本部分软件设计框图 一、 加减计数器的设计 图 10 加减计数器流程图 加减计数器 完成的功能如下： 实现 2002000 步进为 10 的增减。 采用 20200 的加减计数器实现20围的计数，用键盘 生单次脉冲信号，作为计数器的输入，每次 + / - 1 ，数码管各位固定显示 0 ，因此显示的电流范围（给定值）为（ 200 2000） 按 1 次单次脉冲键盘实现 + / - 10进。键盘 生高低电平。 当 冲上升沿到来时，若 高电平，则完成从 200 到 20 的减法计数 若 低电平，则完成 20 到 200 的加法计数。 图 11 加减计数器顶层图 加减计数器用 语言设计。 二、 到二进制码转换电路和比较器 功能：将给定电流的 转换成 二进制码，比较器输出比较调整后的二进制码若 AB,则对B 进行加法调整 ;若 A600 取为 6800U 10000U 大功率的调整管取电流为 5A 的 较放大部分采用运放 号，三极管选用中功率是 样电阻选用康铜丝。 4 3 模 数 转 换 经过前面方案的论述，本设计选 数转换器作为产生所要信号的器件， 八位A/D，转换时间不大于 100内部结构如图所示： 图 21 部框图 其控制信号时序图为 图 22 0809 时序图 控制信号由 送给 而进行采集数据和比较。 4 4 电源电路 由前面的论述可以知道选择串联型稳压电路，由于三端式的稳压器只有三个输出端，性能稳定，价格低廉，应用方便，可以稳定输出电压，选择三端式的稳压器，电路连接图为 图 22 正 /负 V 同时输出稳压电路 图 24 正 /负 V 同时输出稳压电路 4 5 键盘设计 在本次设计中采用两个按键：一个产生单次脉冲送于 成步进功能；一个产生高低电平，控制步进的增减。考虑到实际中按键会产生抖动，在设计中采用与非门接成触发器，完成消抖的功能。 其 设计的方法比较简便，硬件连接图分别如下： 1、产生单次脉冲： 图 25 单次脉冲产生电路图 2、产生高低电平电路 ： 图 26 高 地电平发生电路图 4 6 扩展部分实际电流测量显示电路 使用 片，可以构成一个 3 位半的数字电压表，该电压表的基本量程为 200构成基准电压分压器，调节 00足量程要求， 钟震荡器的 络， 3 为输入的滤波电路，用以提高抗干扰能力， 别为基准电容和自动调零电容， 积分电阻和积分电容。 连接硬件电路为 图 27 扩展部分实际电流测量显示电路 5 测试内容和测试方法 件功能测试 基本部分 件功能测试数据见表 1 发挥部分 件功能测试数据见表 2 数模转换功能测试 基本部分数模转换功能测试数据见表 1 发挥部分数模转换功能测试数据见表 2 电压 基本部分电压 发挥部分电压 5 4 纹波电流似的测量 纹波的电流的测量利用 40M 是波器，打 ，可测纹波电流，实测纹波电流为 本满足要 求。 表 1 基本部分 件和数模转换功能测试数据表 检测 检 测 盘设定值 入 论输出 际输出 200 00010100 00010100 00010100 00 00011110 00011110 00011110 00 00101000 00101000 00101000 00 00110010 00110010 00110010 00 00111100 00111100 00111100 00 01000110 01000110 01000110 00 01010000 01010000 01010000 00 01011010 01011010 01011010 000 01100100 01100100 01100100 100 01101110 01101110 01101110 200 01111000 01111000 01111000 300 10000010 10000010 10000010 400 10001100 10001100 10001100 500 10010110 10010110 10010110 600 10100000 10100000 10100000 700 10101010 10101010 10101010 800 10110100 10110100 10110100 900 10111110 10111110 10111110 000 11001000 11001000 11001000 样电压 = 模拟输出 = 定电流 * 取样电阻 ( 1 欧 ) 表 2 发挥部分 件和数模转换功能测试数据表 检测 检 测 盘设定值 入 论输出 际输出 20 000000010100 000000010100 000000010100 0 000000110010 000000110010 000000110010 00 000001100100 000001100100 000001100100 00 000011001000 000011001000 000011001000 00 000100101100 000100101100 000100101100 00 000110010000 000110010000 000110010000 500 000111110100 000111110100 000111110100 00 001001011000 001001011000 001001011000 00 001010111100 001010111100 001010111100 00 001100100000 001100100000 001100100000 00 001110000100 001110000100 001110000100 000 001111101000 001111101000 001111101000 100 010001001100 010001001100 010001001100 200 010010110000 010010110000 010010110000 300 010100010100 010100010100 010100010100 400 010101111000 010101111000 010101111000 500 010111011100 010111011100 010111011100 600 011001000000 011001000000 011001000000 700 011010100100 011010100100 011010100100 800 011100001000 011100001000 011100001000 900 011101101100 011101101100 011101101100 950 011110011110 011110011110 011110011110 000 011111010000 011111010000 011111010000 3 基本部分电压 检测恒流源 键盘设定值 压控输入值 理论电流 输出值（ 实际电流 输出值（ 误 差 20 20 20 20 10 30 30 30 30 12 40 40 40 40 23 50 50 50 50 30 60 60 60 60 45 70 70 70 70 54 80 80 80 80 72 90 90 90 90 43 100 100 100 100 75 110 110 110 110 32 120 120 120 121 03 130 130 13