数控直流电流源.doc

数控直流电流源 （F题）设计报告参赛学校：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BCD码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10mA、1mA电流步进，用数码管显示电流值，用BCD码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：200mA2000mA，步进10mA，误差的绝对值 1% +10mA，纹波电流 2mA；完全符合要求。发挥要求所能实现的输出电流范围为：20mA2000mA，步进1mA，误差的绝对值 0 . 1% +1mA，纹波电流 0.2mA,可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：200mA2000mA；（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 mA；（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进10mA；（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 mA； （5）纹波电流2mA；（6）自制电源。2、 发挥部分（1）输出电流范围为20mA2000mA，步进1mA；（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0.1+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0.1+1 mA；（4）纹波电流0.2mA；（5）其他。 二 方案比较及论证 2.1 基本部分总体方案确定 方案1. 利用FPGA作为控制器，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。 22 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CPLD或FPGA在控制时序方面有它独特的地方： (1) 规模大；(2) 编程方式简单方便；(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CPLD的成熟应用，因此我们决定用CPLD来作为控制器。2 .3 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%+10mA，DAC0832为八位的转换器，误差为1/256，误差指标满足要求，故选择DAC0832作为数模转换芯片；但由于DAC0832为电流输出型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。24 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=V1/R2其中R2是取样电阻。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Rq为取样电阻，Io的变化量反映在Rq上压降的变化量，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VCE，以保持I0稳定,若要求I0可调，则Rq可改用可调电阻。 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MoSFET，采用VM0SFET可以设计出精度很高的稳流电源，而且性能稳定、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LM317来构成(见图312)。LM317的控制端ADJ和输出端之间为固定的基准电压VREF1.25V，将VREF加在固定电田R两端就可得到恒定的输出电流Jo。如果将VREF加在可调电阻Rw两端，就可得到稳定的可调输出电流Jo,如图4中所示 图 4 所示电路的缺点是Jo中包含了Iadj，Iadj是控制端的输出电流它是随输入电压Vs的不稳定而变化的因此J。的稳定性将受Iadj的影响。同时J。将大于等于Iadj，即不能提供小于Iadj的输出恒流,为改善输出电流Jo的稳定性，可以在控制端上串接一个PNP三极管，如图313中所示。图中J叫为三极管T的射极电流，基极电流Ib则流入了负载Rl，成为Io的一部分。因为IbIadj/(1+p)，则输出电流Io的稳定性影响减小丁(1+P)倍，而且Io的最小值也可以降到大于Ib，即也减小了(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.25. 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AD)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AD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AD转换,选用ADC0809芯片.，它的控制信号通过控制器送给。26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R1，R2将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VCE作相应的变化，以实现输出电压Vo的稳定。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。27 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-电流基准电压的稳定度,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10mA,在这里可以取为10mA, 而输出电流范围为200mA2000mA,那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-电流模块,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Altera公司的Max + Plus II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、BCD码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20-200范围的计数，用键盘CP产生单次脉冲信号，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（2002000）mA，每按1次单次脉冲键盘实现 + / - 10mA 步进。键盘KZ产生高低电平。 当CP 脉冲上升沿到来时，若KZ为高电平，则完成从200到20 的减法计数 若KZ为低电平，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 VHDL 语言设计。 二、BCD码到二进制码转换电路和比较器 功能：将给定电流的BCD码转换成二进制码，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AB则对B 进行减法调整；若A=B，则不进行调整，并将调整后的数据输出给DAC0832。,：。 顶层图见图 11图 12 BCD码到二进制码转换电路和比较器层次图 三、用状态机控制A/D0809采样，思路如下： 图13 状态机转换模式图并将A/D0809输出的数据A和预定值B通过比较器比较，如下所示：32 发挥部分的软件设计 一 、 加减计数器的设计图 14 发挥部分加减计数器流程图加减计数器完成的功能如下： 实现202000步进为1的增减。 采用202000的加减计数器实现20-2000范围的计数，用键盘CP产生单次脉冲信号，作为计数器的输入，每次 + / - 1 ，因此显示的电流范围（给定值）为（202000）mA，每按1次单次脉冲键盘实现 + / - 1mA 步进。键盘KZ产生高低电平。 当CP 脉冲上升沿到来时，若KZ为高电平，则完成从2000到20 的减法计数 若KZ为低电平，则完成20到2000的加法计数。 图 15 发挥部分加减计数器顶层图二、 BCD码二进制转换电路的设计将基本部分的12位BCD码转8位二进制程序扩展为16位BCD码转12位二进制程序即可。 4 外围电路设计 41 数 模 转 换经过前面方案的论述，本设计选择DAC0832数模转换器作为产生所要电压的器件，DAC0832是八位D/A，转换时间不大于1US，输出为电流型，其内部结构如图所示 图 16 DAC0832内部结构图 在图中，虚线框内为DAc0832内部电路；输人数据经过两个寄存器，再到达DA转换器，最后输出与输人数据相应的电流IOUT2和IOUT1。为了适应后继电路的需要，应将电流变换为相应的电压， Dac0832的内部有两个寄存器，分别受相应控制信号作用。因此在DAc0832中根据控制信号的情况，有三种输人数据的方式：直通方式，两个寄存器都是选通状态；单缓冲方式，两个寄存器在需要时同时被选通；双缓冲方式，两个寄存器分别依次选通。由于采用可编程器件向D/A模块送数字信号,要求在没有新的信号送到之前一直进行转换,那么在本设计中采用直通方式，其硬件的连接就比较容易了,其连接示意图为 图 17 DAC0832数模转换42 电压-电流转换电路 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，其原理电路如图所示, 图 18 稳压电路框图图19 稳流电路框图 图中的调整管可以用大功率三极管,也可以来用功率MoSFET，采用VM0SFET可以设计出精度很高的稳流电源，而且性能稳定、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。在本次设计中用D/A的输出电压作为基准电压来控制输出电流的变化,由于要求的电流比较大,功率较大,要使用大功率三极管来作为调整管,具体的电路原理连接图为 图 20 压控电流源原理图由公式： 1/2fc600uf, 取为6800U 10000U大功率的调整管取电流为5A的MJE2955，比较放大部分采用运放OP07型号，三极管选用中功率是S8050，取样电阻选用康铜丝。43 模 数 转 换 经过前面方案的论述，本设计选ADC0809模数转换器作为产生所要信号的器件，ADC0809是八位A/D，转换时间不大于100US，其内部结构如图所示： 图21 AD0809内部框图其控制信号时序图为图22 0809时序图控制信号由CPLD发送给ADC0809，进而进行采集数据和比较。44 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45 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FPGA，完成步进功能；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 46 扩展部分实际电流测量显示电路 使用ICL7107芯片，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200MV，R2YU R3 构成基准电压分压器，调节R2是VREF=100MV，满足量程要求，R1，C1时钟震荡器的RC网络，R4，C3为输入的滤波电路，用以提高抗干扰能力，C2，C4分别为基准电容和自动调零电容，R5，C5是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5.1 CPLD器件功能测试 基本部分CPLD器件功能测试数据见表1 发挥部分CPLD器件功能测试数据见表25.2 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25.3 电压-电流转换电路功能测试 基本部分电压-电流转换电路功能测试见表3发挥部分电压-电流转换电路功能测试见表454 纹波电流似的测量 纹波的电流的测量利用40M是波器，打AC挡，可测纹波电流，实测纹波电流为1.51-1.75mA,基本满足要求。 表 1 基本部分CPLD器件和数模转换功能测试数据表 检测 CPLD 检 测 DAC0832 键盘设定值CPLD理论输出CPLD实际输出DAC输入DAC理论输出DAC实际输出 200 0001010000010100 00010100 0.2V0.201 300 0001111000011110 00011110 0.3V0.310 400 0010100000101000 00101000 0.4V0.4017 500 0011001000110010 00110010 0.5V0.5034 600 0011110000111100 00111100 0.6V0.6037 700 0100011001000110 01000110 0.7V0.7057 800 0101000001010000 01010000 0.8V0.8079 900 0101101001011010 01011010 0.9V0.9093 1000 0110010001100100 01100100 1.0V1.0096 1100 0110111001101110 01101110 1.1V1.1100 1200 0111100001111000 01111000 1.2V1.2111 1300 1000001010000010 10000010 1.3V1.3148 1400 1000110010001100 10001100 1.4V1.4157 1500 1001011010010110 10010110 1.5V1.5168 1600 1010000010100000 10100000 1.6V1.6168 1700 1010101010101010 10101010 1.7V1.7173 1800 1011010010110100 10110100 1.8V1.8194 1900 1011111010111110 10111110 1.9V1.9200 2000 1100100011001000 11001000 2.0V2.0230取样电压 = 模拟输出 = BCD设定电流 * 取样电阻 ( 1 欧) 表 2 发挥部分CPLD器件和数模转换功能测试数据表 检测 CPLD 检 测 DAC1208 键盘设定值FPGA理论输出FPGA实际输出DAC输入DAC理论输出DAC实际输出 20000000010100000000010100000000010100 0.02V 0.02V 50000000110010000000110010000000110010 0.05V 0.05V 100000001100100000001100100000001100100 0.1V 0.1V 200000011001000000011001000000011001000 0.2V 0.2V 300000100101100000100101100000100101100 0.3V 0.3V 400000110010000000110010000000110010000 0.4V 0.4V 500000111110100000111110100000111110100 0.5V 0.5V 600001001011000001001011000001001011000 0.6V 0.6V 700001010111100001010111100001010111100 0.7V 0.7V 800001100100000001100100000001100100000 0.8V 0.8V 900001110000100001110000100001110000100 0.9V 0.9V 1000001111101000001111101000001111101000 1.0V 1.0V 1100010001001100010001001100010001001100 1.1V 1.1V 1200010010110000010010110000010010110000 1.2V 1.2V 1300010100010100010100010100010100010100 1.3V 1.3V 1400010101111000010101111000010101111000 1.4V 1.4V 1500010111011100010111011100010111011100 1.5V 1.5V 1600011001000000011001000000011001000000 1.6V 1.6V 1700011010100100011010100100011010100100 1.7V 1.7V 1800011100001000011100001000011100001000 1.8V 1.8V 19000111011011000111011011000111011011001.9V1.9V 19500111100111100111100111100111100111101.95V1.95V 20000111110100000111110100000111110100002.00V2.00V表3 基本部分电压-电流转换电路功能测试表 检测恒流源键盘设定值压控输入值理论电流输出值（mA）实际电流输出值（mA） 误 差 20 0.2V 20 202010 30 0.3V 30 303012 40 0.4V 40 404023 50 0.5V 50 505030 60 0.6V 60 606045 70 0.7V 70 707054 80 0.8V 80 808072 90 0.9V 90 909043 100 1.0V 100 10010075 110 1.1V 110 11011032 120 1.2V 120 12012103 130 1.3V 130 13013159 140 1.4V 140 14014210 150 1.5V 150 15015264 160 1.6V 160 16016334 170 1.7V 170 17017312 180 1.8V 180 18018343