数控电流源设计.docVIP

目 录1 选题介绍111 指选题背景1 11.1 电流源简介1 11.2 数控电流源的重要性1 11.3 数控电流源的可行性1 12 指导思想2 13 方案论证3 14 基本设计任务32 电路设计42.1 总体方框图42.2 工作原理43 各主要电路及部件工作原理53.1 555单稳态触发电路53.2 D/A转换器63.3 恒流源电路73.4 译码器及显示电路8 3.4.1总电路图8 3.4.2 数码管9 3.4.3 CD4511104 原理总图135 元器件清单136 调试过程及测试数据136.1 测试仪器136.2.指标测量137 小结148 设计体会及今后的改进意见148.1 体会148.2 本方案特点及存在的问题158.3 改进意见15附：参考文献16 1 课题介绍 1.1 选题背景 1.1.1电流源简介 所谓恒流源就是输出电流极其稳定不随负载变化。为了保证电流不变，输出电压必须始终符合V=I*R。即负载需要多大电压，恒流源就必须输出多大电压，“无条件”予以满足。从外部看，就是R=。如果R，那么V。所以理想恒流源都不允许输出开路。对于实际电路，当R大到一定程度，电压输出能力就会不够，输出电流必然下降，不再恒定。在一般恒流电路中大多采用电流负反馈来恒定电流负反馈的作用就是“使之稳定”。通过时刻“检查”控制对象的状态，并进行调整。发现小了，就设法使之增大，发现大了，就设法使之减小。形象地说，电流负反馈电路则是采样输出电流，计算误差，据此调节自身状态，使输出电流稳定，因而，输出特性接近恒流源。衡量“接近”程度的指标就是输出电阻R远大于零。一般希望R。（只能接近，不可能完全达到）。 1.1.2数控电流源的必要性作为常用的电子仪器在学校和研发和检测部门都有者相当广泛的应用，特别在电路原理实验和电子元件老化测试中都离不开电流源。随着电子技术的不断进步对电子仪器的要求不断提高，电源作为电路的动力源泉更是扮演着越来越重要的角色，不论是学校实验室还是维修中心都离不开实验电源，然而传统的电源不论是在控制精度还是输出特性上都无法满足要求。首先从精度上来看传统电流源的调整大多采用旋转电位器的方式，在调整时电流值主要从电位器的刻度读出，容易产生读数误差。从可操作性来看传统电流原电位器上的刻度有限，不可能非常精细，仅仅靠电位器的几个刻度对操作者的技巧要求比较高，同时误差也比较大。传统的实验电源亟待改进电源。1.1.3数控电流源的可行性 由于单片机技术的不断发展和D/A，A/D元件的普及使得数控电源成为可能，数控电源不论是在控制精度还是在可操作性上都有传统电源无法比拟的优势，由于单片机的平民化，使得数控电源与传统电源的成本日益接近。另外，SMT技术也是飞速发展，使得数控电源体积和重量都大大减小，为其在特殊领域的应用奠定了基础。在现实生活中，人们经常要用到电子器件，而电子器件要正常工作，电源的作用是不可忽视的，电源性能的好坏，对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带感性负载的电路和设备中，对电源的性能要求更高。在做毕业设计时主要完成的任务是熟悉设计题目，查阅相关文献和科技资料。熟悉题目过后完成系统的总体方案设计，其中包括方案论证与确定、技术可行性分析、技术经济性分析等内容。在设计控制电路时先学习相关单片机，了解单片机的工作原理。再进行整个系统的硬件设计和软件设计，这其中的工作包括理论分析、设计计算、芯片及元器件选型等内容。在完成以上工作时就进行画程序流程图和程序的编写。最后撰写设计说明书，绘制电路硬件接线图在现实生活中，人们经常要用到电子器件，而电子器件要正常工作，电源的作用是不可忽视的，电源性能的好坏，对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带感性负载的电路和设备中，对电源的性能要求更高。在做毕业设计时主要完成的任务是熟悉设计题目，查阅相关文献和科技资料。熟悉题目过后完成系统的总体方案设计，其中包括方案论证与确定、技术可行性分析、技术经济性分析等内容。在设计控制电路时先学习相关单片机，了解单片机的工作原理。再进行整个系统的硬件设计和软件设计，这其中的工作包括理论分析、设计计算、芯片及元器件选型等内容。在完成以上工作时就进行画程序流程图和程序的编写。最后撰写设计说明书，绘制电路硬件接线图1.2指导思想本课题通过努力设计出一款高精度的数控电流源，科学仪器和电子设备中经常用到稳定性好、精度高、输出可预置的直流电流源。高性能的数控直流电流源步进能够提高科学仪器的稳定性，本设计电流源能够很好的降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差，输出电流在20mA2000mA可调，输出电流可预置、具有“+”、“-”步进调整、输出电流信号可直接显示等功能。硬件电路以AT89C52单片机为控制核心器，构成闭环控制电路，采用压控电流方式实现稳流输出，步进为10mA，通过D/A控制压控电流步进，A/D采样电压值，软件算出电流的测量值。系统主要由键盘输入，控制处理、压控电流输出、液晶显示等功能模块组成。13方案论证方案一：采用以89C52为核心的单片机系统来控制D/A的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，再改变输出的电压量来控制电流的变化，此方案的优点是成本低，电路简单，可升级性强，缺点是涉及到软件方面，难度较高。方框图如图所示。 方案一方框图 方案二：采用集成器件，通过按键产生脉冲信号，计数器（74LS192）的二进制数字输出分两路运行：一路用于驱动数显电路，指示电源输出电流的大小值，LED输出（0、1、2、3、4、5、6、7）七个数字；另一路进入/转换电路，/转换器（DAC0832）将数字量按比例转换成模拟电流，再经过(NE5532)，一个运放、三极管组成的恒流源部分，使其输出（0、100、200、300、400、500、600、700,800,900）mA八个档位的电流。优点为原理简单易懂。综上，故采用方案二。1.4 基本设计任务（1） 电流源设有“电流增”（UP）和“电流减”（DOWN）两个键，按UP时输出电流步进增加，按DOWN时输出电流步进减小。 （2） 电流设置范围为100mA800mA ，设置分辨率为100mA； （3） （3）输出电流误差1%； (4) 当电子负载两端电压变化10V时，输出电流的绝对误差小于变化前电流值的10。2 电路设计 2.1 总体方框图比例运算D/A转换器 恒流源电路采样按键 计数器 译码电路 负载 显示电路 2.2工作原理给系统提供经蒸馏得到的5V的直流电压，计数器工作在技术状态，没按一次见，给计数器家一个脉冲，。计数器得到二进制数，再进过译码器输出七路二进制数，驱动LED数码管显示，在一路计数器输出的二进制数经DA转换器转换成模拟的电流量，在经过云芳和电流源部分得到理想的结果。按8次键议息显示0.1，2.3，4，5，6，7，8，9相应会得到电流8个值、3 各主要电路及部件工作原理 3.1 计数器74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示： （a）引脚排列 (b) 逻辑符号 74LS192的引脚排列及逻辑符号 图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端， 为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、为数据输出端。其功能表如下： 输入 输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000 dcbadcba011加计数011 减计数表5-2 74LS192的功能表3.2 D/A转换器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20mA。其内部结构如图3.8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。 图3.8 0832内部结构图 图3.9 DAC0832管脚图该D/A转换器为20引脚双列直插式封装，各引脚含义如下：(1)D7D0转换数据输入。(2)CS片选信号（输入），低电平有效。(3)ILE数据锁存允许信号（输入），高电平有效。(4)WR1第一信号（输入），低电平有效。该信号与ILE 信号共同控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式：当ILE=1和XFER=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1和WR1 =1时，为输入寄存器锁存方式。(5) WR2 第2写信号(输入),低电平有效.该信号与信号合在一起控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式:当 WR2=0和XFER=0时,为DAC寄存器直通方式; 当WR2=1和XFER=0时,为DAC寄存器锁存方式。 (6)XFER数据传送控制信号(输入),低电平有效 。 (7)Iout2电流输出“1”。当数据为全“1”时，输出电流最大；为全“0”时输出电流最小。(8)Iout2电流输出“2”。 DAC转换器的特性之一是：Iout1 +Iout2=常数。(9)Rfb反馈电阻端 即运算放大器的反馈电阻端，电阻（15K）已固化在芯片中。因为DAC0832是电流输出型D/A转换器，为得到电压的转换输出，使用时需在两个电流输出端接运算放大器，Rfb 即为运算放大器的反馈电阻，运算放大器的接法如图9.3所示。(10)Vref基准电压，是外加高精度电压源，与芯片内的电 阻网络相连接，该电压可正可负，范围为-10V+10V.(11)DGND数字地(12)AGND模拟地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 恒流源电路 恒流源电路图 本次恒流源由运放，电阻，以及0805，tip41l俩种类型的三极管组成。运放OP07的同相输入端从DAC得到基准电压信号，由于它工作在闭环状态，通过负反馈使三极管Q1的发射极电压精确固定在与基准电压相同，因而三极管的发射极电流就被固定，从而集电极电流（IcIe）也就被控制在恒定状态。当Ie由于任何原因（例如RL阻抗减小、Vcc升高等）趋于增大时，三极管发射极电位会升高，这时连接到三极管发射极的运放反相输入端电位也同样升高，使运放输出电压降低，而这样一来就会使三极管的基极电压降低，使三极管趋于截止，这就抑制了Ie的增大，稳定了输出电流。 当Ie由于任何原因（例如RL阻抗增大、Vcc降低等）趋于减小时，三极管发射极电位会降低，这时连接到三极管发射极的运放反相输入端电位也同样降低，使运放输出电压升高，而这样一来就会使三极管的基极电压升高，使三极管趋于更加导通的状态，这就抑制了Ie的减小，稳定了输出电流。3.4 译码器及显示电路 3.4.1 电路图3.4.2数码管 本次课设采用的是共阴数码管 a.七段发光二极管LED数码管 LED数码管是目前最常用的数字显示器下图为共阴管的电路为两种不同出线形式的引出脚功能图。 一个LED数码管可用来显示一位0-9十进制和一个小数点。小型数码管0.5寸和0.36寸每段发光二极管的正向压降随显示光通常为红、绿、黄、橙色的颜色不同略有差别通常约为2-2.5V每个发光二极管的点亮电流在5-10mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要一个专门的译码器该译码器不但要完成译码功能还要有相当的驱动能力。 LED数码管 3.4.3 CD4511 本电路采用CCD511码锁存七段译码驱动器。驱动共阴极LED数码管。 显示译码器CD4511 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。 CD4511引脚图 其功能介绍如下 BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。 CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。其引脚图如所示。 各引脚的名称：7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入右边表示输出，两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。 4原理总图5 元器件清单 74LS192CD4511,DAC0832,NE5532,0805,TIP41,共阴数码管，电阻若干，电容若干，按键。6 调试过程及测试数据6.1测试仪器双踪示波器，数字示波器，万用表 6.2指标测试输出电流范围：100mA-900mA可以通过按键设置电流值，并且实际输出值与给定值之间的偏差=给1%+10mA。具有“+”“-”步进调整功能，步进电流10mA。本设计要求输出电流范围为100mA1000mA，根据图恒流源模块可知，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所示表5.1 预值测量值电流值 （mA）实际值（mA）偏差（mA）显示值（mA）偏差（mA）100102210002001973200030028812300040037921400050047525500060058614600070072121700080079648000900884169000注：数字万用表的型号为VC9801A+7 小结 在参考传统电流源以及普通数控电流源的基础上，在充分考虑性价比的同时极大的提高了数控电流源的准确性，在采用软件修正以后在使用普通元件的情况下电流源的性能也达到了比较高的水平，同时高分辨率的参考电压源也为系统的进一步扩展提供了一个良好的硬件平台。但是也应为采用软件修正的缘故，该设计在软件编写的时候需要测量大量的数据，给批量生产带来了一定的不便，在今后的设计中将考虑设计该款电流源的数据自动生成系统，以利于批量生产同时在条件允许的情况下，加入温度探头在不同的温度下采用不同的修正方案使得该系统的热稳定性将进一步提高。8 设计体会及今后的改进意见8.1 体会在本次设计数控电流源的这个过程中，我再次体会到理论运用与实践的重要性，也意识到实践是理论的最好经验。本次课题设计涵盖了模拟电子电路、大功率电