数控直流电流源设计和总结报告

题目名称：数控直流电流源设计和总结报告摘要：本系统以MSP430单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达2mA，并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（AD7543）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理， 通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。关键词：MSP430 压控电流源 A/D D/A Abstract: in this system MSP430 microcomputer (SCM) is main controller, output current of DC power can be set by a keyboard which step level reaches 1mA, while the real output current and the set value can be displayed by LED. In the system, the digitally programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC (AD7543), then the analog value which is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of power transistor. On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. Keywords: MSP430 voltage-controlled constant current source AD DA1.方案设计和论证 系统框图如图1所示，它由控制部分、键盘、DA转换器、AD转换器、电流源模块、数码管显示模块组成； 图1.直流恒流源系统方框图1.1 控制部分方案1：采用中小规模集成电路构成控制部分；缺点：外围器件多，容易出现故障； 优点：价格便宜；方案2：采用以单片机为核心的单片机最小系统； 优点：价格便宜，外围器件少，可靠性高； 缺点：没有FPGA灵活；方案3：采用可编程逻辑器件如(FPGA)构成 控制部分； 优点：灵活方便操作； 缺点：价格太昂贵；方案选定：由于单片机价格便宜且可靠性高，易控制，所以我们选择了第二种方案； 1.2 恒流源部分方案1：由三端式集成稳压源构成恒流源； 图1.2.1 稳压源构成恒流源说明：此方案是根据稳压源输出恒定电压，如果采样电阻R不变，则输出为恒定电压，从而达到了恒流的功能；优点：若稳压源为精密稳压源，则输出恒定的电流，电路清晰简单；外围元件少，价格便宜； 缺点：精密的数控电位器R难以购买；方案2：由数控稳压源构成恒流源； 图1.2.2 数控稳压源构成恒流源 说明：稳压源由控制部分控制，让数控稳压源输出恒定电压，精密电位器R不变时，则获得恒定电流； 优点：原理清楚； 缺点：数控稳压源的地是浮地，系统不共地，不好处理；方案3：采用电流串联负反馈构成恒流源； 说明：此方案采取的是电流串联反馈的形式，根据反馈原理达到恒流的目的；优点：原理清楚，价格便宜；缺点：对运放的要求高，由于OP07CP有很好的效果，所以此方案有很好的效果；方案选定：根据以上分析和优缺点的比较，我们选择方案3；2.系统设计 2.1总体设计 2.2单元模块功能介绍及电路设计2.2.1 MSP430核心控制模块 说明：MSP430内部嵌有12位高精度AD转换器；2.2.2 键盘模块 说明：此键盘为4*4矩阵键盘模式；2.2.3 数码管显示模块 说明：此模块为电流显示模块；2.2.4 DA转换模块 说明：此模块为DA转换模块，它的输出控制恒流源；2.2.5 直流恒流源模块 说明：此模块的功能是将通过DA的调节作用，运放的反馈调节使输出的电流达到稳定功能；2.3电路参数的计算及元器件的选择2.3.1 运放同相输入端电压的确定 分析：由于采样电阻是四个1的电阻并联；当电流达到最大时反馈到运放反相端的电压最大为500Mv,所以同相端的最大电压为500Mv ,我们可以根据此电压来确定前向电阻和电位器的阻值； 2.3.2 运放的选择 分析：运放的Vin+=Vin-，在任何正常工作状态下，误差都应小，温度引起的Vin+-Vin-应该越小越好；并且要求低噪声，带宽比较宽，综合分析应该选择OP07CP;2.3.3 采样电阻的选择 分析：如果采用电阻过大，则会导致采样功率过高，对采样温度要求高，所以为了达到稳定性，采样电阻上的功率不能太大，所以我们选择了4个1的0.25W功率的电阻并联；利用并联来分担功率；2.3.4 电流放大器三极管的选择 由于经过三极管的电流很大，所以要选择大功率的三极管，大功率三极管又需要基极驱动，所以我们选择了复合管的形式，利用9013作为TIP3055的驱动；如下图所示： 2.4 特殊器件的介绍本次测量最关键的是三极管和负载的选择，由于本次设计的功率很大，所以我们要慎重选择好元器件，要分析好每块的功率，负载的功率一般也很大，所以我们选择的是镍铬合金，它的承受的功率比较大； 负载：镍铬合金 三极管：大功率的三极管3.软件设计 流程图如下所示： 4.系统测试 4.1 测试方法 硬件测试：将学习板的DA的电压提供给运放的前级，通过改变电压来测试输出端的电流； 记录下输入的DA的数字量和输出的电流值； 软件测试：通过键盘设置电流，并由精密电流表测试电流，通过改变负载，来测试分析此设计是否正确； 4.2 测试结果键盘设定值(mv)实际测量值(mv)负载（欧姆）键盘设定值（mv)实际测量值(mv)负载(欧姆）5252.310.3200200.310.35252.48.6200200.28.65252.45200200.0155454.210.3250250.3310.35454.38.6250250.28.65454.25250250.455655.9910.3300300.8910.35655.988.6300300.568.65655.995300300.4555857.910.3320320.310.35857.88.6320320.238.65857.65320320.6756665.5510.3410410.3410.36665.448.6410410.238.66665.555410410.155100100.0910.3450450.2110.3100100.088.6450450.348.6100100.085450450.335112111.5910.350050010.3112111.598.65005008.6112111.595500500.015 4.3 结果分析 此结果经过软件修正，基本符合要求，达到了预定的精度值，但仍然存在误差，基本误差原因如下：1. DA转换的量化误差；2. 取样电阻R上因温度影响而引起的量化误差；3. DA转换器的精度不够而引起的误差；4. 精密电位器滑动头接触不良而引起的误差；5.总结 在设计制作数控直流恒流源的过程中，我们深切体会到，实践是理论运用的最好检验。本次设计是对我们三年所学知识的一次综合性检测和考验，无论是动手能力还是理论知识运用能力都得到了提高，同时加深了我们对网络资源认识，大大提高了查阅资料的效率，使我们有充足的时间投入到电路设计当中。本系统的研制主要使用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、大功率电源设计、电子工艺等多方面的知识，所设计的基于单片机程序控制的压控恒流源，达到了题目基本要求。由于我们DA芯片的精度不高，我们的测量范围只能达到500MA，但实际的输出电流是可以达到2A的，只是在数控的部分DA器件的限制导致我们不能达到要求；在数据测试和调试方面，由于仪表存在误差和电路器件因工作时间过长温度升高而产生的误差，使得测量数据不是很精确，本系统就此通过软件设计，减少误差的存在，使输出电流的误差范围减小到5mA，大大提高了系统的精度。参考文献： 洪利MSP430单片原理和使用实例.北京航空航天大学出版社.2010 徐向民Altium Designer 快速入门.北京航空航天大学出版社.2008 曾波数控恒流源电子世界，第九期，2005 何希才电子电路北京：北京航空航天大学出版社，2003 李义府模拟电子技术基础长沙：国防科技大学出版社，2004 李朝青单片机原理及接口技术北京：北京航空航天大学出版社，1994附录： 附1：元器件明细表名称型号规格数量电阻1金属膜电阻4电阻3金属膜电阻1电阻22K金属膜电阻1电阻3.3K金属膜电阻1电位器