高精度数控恒流源-2005电子设计竞赛论文

i 2005 年“索尼杯” 全国大学生电子设计竞赛论文 题目：高精度数控恒流源 2005 年 9 月 ii 摘要 恒流电源是为特殊用电器提供稳定电流的重要仪器。 本课题设计并实现了一台高 精度的数控直流电流源。 该电流源由恒流源、供电电源、数控系统三个部分组成。恒流源主调整器采用了 LM350，并由超低噪声运算放大器 AD797 和 OP07、高性能锰铜采样电阻等器件构成 负反馈电路实现了对电流的精确控制；供电电源采用 LM350、LM337、LM7805 作为 主稳压器，为整机提供了稳定的直流供电；控制系统以 89S52 单片机为核心，高精度 12 位 A/D 芯片 AD1674 实现采样输入，12 位 D/A 芯片 DAC1230 产生控制输出，实 现了输出电流的实时精确设定和检测。系统还设置了串口通讯功能。 经测试，输出电流范围达 102010mA，控制及测量精度优于（0.11mA） ， 输出纹波及噪声小于 60uArms，均优于题目指标。 论文阐明了软硬件设计依据，给出了系统功能和性能测试结果，并附录了详细的 设计资料。 关键词:恒流源集成运放步进调整 单片机数控系统串口通讯 iii ABSTRACT The constant current source is the important instrument which stabilizes the electric current for the special electric apparatus. This subject has designed and realized such a high-accuracy digital control direct current source. This constant current source is flowed three parts in the source, power supply power, and digital control system permanently and made up. The main adjuster of source flows permanently to adopt LM350, sample by ultra low in noise operation amplifier AD797 and OP07, high-performance manganese copper resistance device is it shoulder feedback circuit realize the accurate control of the electric current to form; Supply power part adopt LM350, LM337, LM7805 as the main voltage stabilizer, supply power after offering to complete machine steady direct current; Is it regard 89S52 one-chip computer as core partly to control, high accuracy 12 A/D chip AD1674 is it sample introduction to realize, chip DAC1230 of 12 D/As produced and controlled exporting, has realized exporting the establishingandmeasuringreal-timeandaccuratelyofelectriccurrent.Serial communication function has been also set up. Export the electric current range and reach 10-2010mA, control and measure the precision and is smaller than through testing (0. 1% of the +1mA), output the line and involve the noise and is smaller than 100uA, is superior to the index of the topic. The thesis expounds the design considerations of software and hardware; provide the systematic function and performance test result, and the detailed design materials of appendix. Keywords The Constant Current Source;Operational Amplifier; Step-Adjusting;Digital Controlling System; MCU；Serial Communication iv 目录 第1章方案论证与原理设计.1 1.1恒流源方案.1 1.2供电电源方案.2 1.3控制系统方案.2 1.4整机方案框图.2 第2章电路设计与参数论证.3 2.1恒流源主电路.3 2.2供电电源.5 2.3数控电路.7 第3章系统功能与软件设计.9 3.1系统功能分析.9 3.2软件设计结构.10 第4章功能及性能测试.14 4.1测试条件.14 4.2整机调试.14 4.3系统功能测试.14 4.4性能参数测试.15 第5章设计总结及技术展望.17 参考资料.18 附录.18 附录一 原理电路图.18 附录二 元器件清单18 附录三 单片机程序18 1 数控直流电流源是输出为稳定直流电流、并可用数控方式调节和稳定输出电流的电源 设备，在对工作电流稳定度、纹波电流大小等有较高要求的领域具有广泛的应用，如：电 镀，精密加工，激光器等。 为此我们选择了数控直流电流源作为此次竞赛的课题。 第 1 章方案论证与原理设计 1.1 恒流源方案 恒流源是数控直流电流源的核心部分，是决定各项设计指标的关键性因素。 1.1.1方案选择 常见的恒流源电路方案有：脉冲调宽式、线性负反馈方式。 方案一、脉冲调宽式恒流源方案一、脉冲调宽式恒流源方案一、脉冲调宽式恒流源 方案一、脉冲调宽式恒流源 脉冲调宽式（开关式）恒流源目前广泛应用于空间技术，计算机，通讯，家电等电器 中。开关电源的调整器工作在开关状态，功率损耗小，效率高，可达 7090，比较经 济。但纹波电流大，辐射干扰强，恒流精度低，不易满足本题要求。 方案二、线性负反馈恒流源方案二、线性负反馈恒流源方案二、线性负反馈恒流源 方案二、线性负反馈恒流源 线性负反馈式恒流源具有失真小，稳定度高，纹波小等特点，但功率损耗大，效率较 低，主要应用于高精度场合。 线性负反馈恒流源的实现方法有分立元件和集成电路。分立元件稳流电路有二极管、 三极管和电子管稳流等几种形式，但此种恒流电路的器件选择需要根据输入输出的电压、 电流和负载来确定，电路调试复杂；集成电路恒流源可由三端稳压器或运放构成，电路结 构简单，性能稳定。但由三端集成稳压芯片和电阻构成的恒流源精度稍差，达不到本题指 标，因此由集成运放构成的线性负反馈恒流源将成为本体首选方案。 1.1.2参数优化设计 由于本题要求的输出电流精度高，纹波小。因此我们必须考虑保证这些质量参数的优 化方案。 纹波与噪声控制纹波与噪声控制纹波与噪声控制 纹波与噪声控制 最大纹波电流是在设定的直流电流的情况下，使电流的纹波(包过噪声)的绝对值大小， 通常以峰峰值或有效值表示。所以在设计时充分考虑这些因素，在电路中必要部分加入 多种降噪滤波措施。 2 提高温度稳定性提高温度稳定性提高温度稳定性 提高温度稳定性 环境温度的变化影响器件参数的变化，从而引起恒流源输出电流的变化，这就是温度 漂移。在本设计中充分考虑了基准电压、放大器零点漂移和噪声电压以及采样电阻的温度 系数。在确定恒流源整机的温度漂移限制，对这些环节的温度系数做出了优选。 安全保护功能安全保护功能安全保护功能 安全保护功能 安全保护主要用于输出电流较大而负载阻值较小时。因此在设计电路时考虑了系统的 过热、过流、过压和反压保护。 1.2 供电电源方案 供电电源一般有开关电源、线性电源两种方案。 开关电源开关电源开关电源 开关电源 这种电源主要提供可靠稳定的电压类似开关式恒流源，功率损耗小，效率高，比较经 济，但电压波纹大，难以滤除，会对后续电路造成影响。 线性电源线性电源线性电源 线性电源 这种电源也提供可靠稳定的电压，结构简单，纹波电压小，易滤除。虽然功耗较开关 电源大些，但为了满足要求我们选择线性电源。 1.3 控制系统方案 控制系统功能接收取样信号，进行运算处理，并发出控制信号控制负载电流，而且有 相应显示和写入控制字等功能。 常用的实现方案有硬件逻辑电路、单片机软件编程和 CPLD 硬件逻辑编程。硬件逻辑 电路结构简单，实现方便，但功能扩展性不强；单片机系统通过自身时钟编程产生逻辑信 号序列，可键盘预置信号序列状态及数码显示，使用灵活方便，可通过软件升级达到系统 升级，开发容易，性价比高；CPLD 电路也可实现以上功能，且处理速度更快，但价格偏 贵，开发难度大，多用于高速实时系统。 所以我们用单片机作为控制系统的的核心接收取样信号对其处理并发出控制信号控 制负载电流。其他外围电路还有 LED 显示、输入键盘、串口通讯、时钟信号、复位键。 1.4 整机方案框图 由以上分析我们可得出整机电路的基本结构方案框图如图 11 所示。 3 图 1 1数控直流电流源整机方案框图 第 2 章电路设计与参数论证 通过前一章的分析，我们要想获得一个高性能的数控直流电流源 ，主要是设计好调 整器电路，放大电路，反馈控制电路，电源电路。本章详细的介绍了各部分功能电路的设 计思想和原理。 2.1 恒流源主电路 上一章分析了影响恒流源输出电流的各种不稳定因素和电路基本功能方案，因此应通 过适当地选择元器件、合理地布线，使各种不利因素的影响尽量减小，从而提高恒流源的 整体性能。 2.1.1原理电路 恒流源主电路原理图如图 21 所示。 2.1.2主调器选择 调整器可选择达林顿管或三端集成稳压器 LM350。这里我们选择 LM350，由题中要 求知道最大输出电流为：2A，最大输出电压：10V0V maxo I maxo U 考虑在调整器上的饱和压降其输入电压为=14V DD V 所以管子最大功耗应Pcm*28W DD V maxo I 设计纹波电流系数=0.2mA/2000mA1/10000 4 这就要求推动达林顿管的电流比较大，但因集成运算放大器一般要工作在小电流状 态，不能推动达林顿管正常工作，即使勉强推动其工作也会造成集成运算放大器本身功耗 过大，温度升高，影响电路的输出精度。 而且 LM350 有全功能保护电路，精度高。 虽然 LM350 不如达林顿管纹波电压小，但能满足了相应要求。所以从安全和精度考 虑我们选择 LM350。 图 2 1恒流源主电路图 恒流源以大功率 LM350 为调整器，负载串联在 LM350 输出端，通过控制 LM350 的 调节端（ADJ）实现对负载的电流控制。具体方法是采样电阻 R16 接在负载下端，采样信 号经过有 U4 组成的同向比例放大环节放大后再接回到 U5 的反向输入端 2，同时放大后的 采样信号也经过 A/D 转换送给控制系统，之后单片机输出控制信号经D/A 转换送给 U5 的 同向输入端 3，之后 U5 输出接到 LM350 的调节端（ADJ）实现对负载的电流控制，构成 电流负反馈电路，达到输出恒流的目的。 若恒流源不接单片机输出控制信号 DOUT-DA，电路可手动调节电位器 R23，实现对 电路控制，达到负载保持恒流的目的。这样便于对不同部分分开测试。 2.1.3放大器选择 系统要求运放具有高开环增益、高共模抑制比、高输入阻抗、宽频带、低失调和漂移 。 但宽频带与低漂移是矛盾的，权衡利弊以漂移较为重要。故本方案取样芯片 U4 选用超低 噪声低阻运放 AD797，驱动芯片 U5 选用高精度运放 OP07，这两种芯片内部带零漂调整， 5 可通过调整 R11,R12.实现对 U4，U5 的零点调整。通过采用这种集成运算放大器的恒流源 ， 其漂移和噪声指标可大大改善。 2.1.4采样电路 在反馈型恒流源电路中，采样电阻串联在负载回路内，并由此检测输出电流变化，因 此，采样电阻稳定性将直接影响到恒流源的性能，且采样电阻还应有足够大的功率，否则 会影响恒流性能甚至烧坏。综合以上各因素，实际电路中选用大功率锰铜材料制成的精密 电阻，其温度系数达到（320）10-6/。 2.1.5安全保护电路 在设计电路时考虑了系统的过热、过流、过压和反压保护。 过热、过流、过压过热、过流、过压过热、过流、过压 过热、过流、过压 过热、过流、过压保护功能由三端稳压芯片 LM350 内部集成。 反电动势反电动势反电动势 反电动势 D3 是为了防止引线较长线路中反向感应电压损坏电路。加上D3 可使反向感应电压经 过 D3 构成闭合回路，从而保护电路。 预负载预负载预负载 预负载 为了使电路在未加负载时电路仍处于线性工作状态，还要有一定内负载。预负载电流 一般取 =/（2050），10V 0R I maxo I maxo U 所以预负载 R9 取 220/2W。 2.2 供电电源 整机供电电源原理电路如图 22 所示。 2.2.1降压变压器选择 为了给电路中不同器件提供电压，选择单输入三输出的变压器。因为14，考虑 DD V U1 上压降和纹波电压，取18V。考虑二极管压降，整流器输入端的变压器次级交流 DC V 电压的有效值为 Ei/1.20.7*217V。 DC V 变压器三输出的上面两个次级输出电压有效值为 17V。同理可算出最下面一个次级输 出电压有效值为 9。 6 图 2 2供电电源原理电路 2.2.2整流滤波 D6，D7 为桥式整流器，整流后经过电容滤波的直流电压输给稳压器 U1,U3。 DC V 设稳压电源前级滤波电容为 C，则取 R0*C=4Tw40 s 由于稳压芯片最大输出电流为 3A，输入电压约 18V，计算其等效输入电阻 R0 20V/3A，所以=6000,取 6800，电路中由 C14 和 C16并联而成，用来滤除低频分 C FF 量，C1 用来滤除高频分量。其他电路中滤波电容与此类似，如 C17和 C2 等。 2.2.3主稳压芯片 主稳压芯片选用 LM350，其参数计算如下： 考虑纹波电压 U0=1314V(1+Rw/R3)*Uref 可求得 Rw2.640K考虑实际取 Rw3.3K 输出响应时间常数为=R3*C2=2.4,这样就有效实现了软启动使输入电压从开始s 变化到稳定有一个调整时间，防止电流电压的浪涌损坏负载。 7 2.2.4其他必要器件选择 电路中发光二极管 D8、D9、D10 用来显示电源是否正常工作， D1、D2、D3、D4、 D11、D12 是防止反向电压损坏稳压管。 2.3 数控电路 数控直流电流源的控制电路采用单片机最小系统对电路各部分进行控制。最小系统由 MCU、采样输入、控制输出、串口通讯电路及复位电路、键盘、显示电路组成。 2.3.1单片机最小系统 单片机最小系统电路如图 2-3所示。 图 2 3单片机最小系统电路 MCUMCUMCU MCU 选型选型选型 选型 MCU 我们选用 ATMEL 公司的 AT89S52 单片机。AT89S52 是一种低功耗、高性能的 CMOS工艺的 8 位单片机，与标准 MCS-51 的引脚和指令完全兼容，其外接晶振频率范围 为 0Hz33MHz，内置 256B 片内 RAM，3 个 16 位定时器/记数器，片内看门狗。其性能好 于我们常用的 89C52 系列单片机。 时钟设计时钟设计时钟设计 时钟设计 数控直流电流源要求微处理器采样周期设置为 0.5s，并且实测值和设定值间隔显示变 换周期为 2s 左右，采用 12MHZ 晶振，可满足系统要求。 键盘与显示键盘与显示键盘与显示 键盘与显示 数控直流电流源具有键盘输入与显示功能。我们采用自治键盘对电流进行设定，采用 两个四位数码管交替显示实测值和设定值，高两位显示标志位具体作用见第 3 章 ，第 2 8 至第 5 位显示整数值单位 mA，最低位是小数位。我们采用 7219 芯片电路作为显示控制和 驱动端，其优点是显示位数多，节 约 I/O 端口，使用方便，价格合理。 串口通讯电路串口通讯电路串口通讯电路 串口通讯电路 串口通讯电路可以方便的与计算机连接，进行计算机远程在线控制调节电流大小、读 数，键盘锁定、解除锁定等功能。芯片选用 MAX232。 复位电路设计复位电路设计复位电路设计 复位电路设计 用 MAX813 构成看门狗复位电路。 2.3.2A/D 和 D/A 转换电路 为了满足取样精度需要，我们选择 12 位 A/D 转换器和 12 位 D/A 转换器,使步进小于 1mA。在电路中 A/D 启动后，先读高 8 位结果，再读后 4 位；D/A 是先写入高 8 位，再写 入低 4 位。 该单片机的输入信号为经过 12 位的 A /D 转换器的数字量，送入单片机处理后产生输 出数字量经 D/A 转换器转换后 送入恒流源，因而这种数控恒流源的精度最终取决于电路 中 A /D，D/A 转换器的转换精度，本方案采用 12 位 A /D，D/A 转换器，控制精度可达 2000mA/2120.5mA，优于题目要求的指标。 A /D 采样输入原理图如图 24 所示，D/A 控制输出原理图如图 25 所示。 图 2 4A /D 采样输入电路 9 图 2 5D/A 控制输出电路 第 3 章系统功能与软件设计 3.1 系统功能分析 1 1 1 1 ）显示功能）显示功能）显示功能 ）显示功能 a)交替显示测量值和设定值； b)八位数码管最高位为标志位， 若显示 F 表示显示的是设定值， C 表示是测量值， E 表示进入编辑状态，用于设定电流值。 c)当进入编辑状态时，第七位显示当前编辑位。 d)第 6 位不显示。 e)15 位显示电流值大小，其中最低位显示小数位，显示单位为 mA。 2 2 2 2 ） ） 键盘示意图键盘示意图键盘示意图 键盘示意图 图 3 1键盘示意图 键盘上“左”“右”改变要设置的位，见第 7 位显示；“上”“下”改变相应位数字 大小。初次按“确定”键则进入编辑状态进行编辑，编辑好之后如再按此键则显示编辑的 值，如按“取消”则还是显示原来的值。 10 3 3 3 3 ）开机保护）开机保护）开机保护 ）开机保护 初始开机 D/A 控制电压输出为零，不采样，系统为开环状态，第一次设定电流值后进 入闭环工作状态。 4 4 4 4 ）控制：）控制：）控制： ）控制： a)接收采样电流并与设定值比较产生控制信号输出 b)可由键盘设置设定值 5)5)5) 5) 串行通讯串行通讯串行通讯 串行通讯 串行通讯接口与计算机连接，进行远程在线控制，并且计算机可以记录数据。 3.2 软件设计结构 3.2.1控制及显示程序设计思想 程序由主程序、定时器中断程序、A/D 中断程序、串口中断程序四部分组成。各部分 功能及流程图如下。 主程序主程序主程序 主程序 主程序的主要工作是进行初始化，扫描键盘，并响应键盘，设定电流值。 图 3 2主程序流程 键盘扫描子程序键盘扫描子程序键盘扫描子程序 键盘扫描子程序 该系统只需要六个按键即可实现所有功能。当单片机响应键盘后，则得到一个返回值 。 软件设计采用了状态转换的编程方法，有工作状态和编辑状态两种状态。在工作状态只响 应确认键，并转入编辑状态，不响应其它任何键；在编辑状态设定输出电流值，确认和取 消键退出编辑状态，转入工作状态。这样不仅降低了编程的难度，也提高了程序的稳定性 。 其流程图如下： 11 图 3 3键盘扫描子程序 定时器中断程序定时器中断程序定时器中断程序 定时器中断程序 电路中 A/D 采样周期为 130ms，当定时器 T0 中断后进行一次采样，单片机处理后， 输出 D/A 进行调节，并且显示。定时器中断程序流程如图 34 所示。 A/DA/DA/D A/D 中断（中断（中断（ 中断（ INT0INT0INT0 INT0 ） ） 在该中断的功能有：读采样数据，与设定值比较，控制调整电压和传送显示。 设电压变化为，当前电压为 Vn，则新的值为 Vn+1Vn+*M M 为常数可根据实际电路参数要求设定。而且在程序进行中要考虑到 D/A 为 12位 ， 电压有上下限。在显示时考虑可视性，是测量值和设定值交替显示。程序流程图如图 36 所示。 12 图 3 4定时器中断程序流程 串口通讯程序串口通讯程序串口通讯程序 串口通讯程序 此功能是便于计算机远程控制，可以远程控制锁定、解锁键盘，设定、监测输出电流 值， 计算机通过串口可以记录恒流源的各种参数，并且进行分析。 图 3 5串口通讯程序 13 14 图 3 6A/D 中断（INT0）程序流程图 第 4 章功能及性能测试 4.1 测试条件 测试环境测试环境测试环境 测试环境 竞赛实验室，常温常湿常压。 测试仪器测试仪器测试仪器 测试仪器 表 4 1主要测试仪器清单 4.2 整机调试 在电路板装配好后，进行整机调试。 1） 测试供电电源：13.766V,=13.898V，5.000V,系统供电正常。 DD V EE V CC V 2） 供电电源正常工作后，加载主芯片，给恒流源部分加一个负载，测试各部分，进 行了过流，过压试验均能正常工作。 3） 把电路各部分连为一体。对控制部分进行检测，观察显示部分能正常工作和键盘 按键功能能实现，且显示与测量值基本一致,所以电路能正常工作。 4.3 系统功能测试 显示部分功能测试显示部分功能测试显示部分功能测试 显示部分功能测试 用键盘随意编辑一个设定值，观察能否交替显示设置值和测量值，同时用电流表测量 负载电流值，比较这 3 个值大小，相差很小，达到了设计指标，负载输出正常。重复上述 操作后结果一致，显示功能实现。 序号序号名名称称型号、规格型号、规格生产厂家生产厂家 1 数字示波器TDS1012TEK 2 模拟示波器SS-5702A内蒙电子 3 数字万用表HP34401(2 个)Agilent 4 直流稳压电源DF17432L中策电子 5 自耦变压器0250V东风电器 15 键盘按键功能测试键盘按键功能测试键盘按键功能测试 键盘按键功能测试 1)“确认”键进入编辑状态，标志位显示”E” 2)按盘上“左”“右”键可以设定要设置的位（在标志后显示） 3)按“上”“下”键可以设定相应位数字大小 4)若再按“取消”键，显示原来值； 若设定值按“确定”键显示设定值；若按 下复位键显示开机时初始值 5)重复上述操作，结果一致所以实现了键盘的功能 串行通讯功能测试串行通讯功能测试串行通讯功能测试 串行通讯功能测试 把串口电路与计算机连接，在计算机上进行在线锁定键盘、解除锁定、调节电流大小 、 读数操作看是否正常。 4.4 性能参数测试 4.4.1输出电流精度定标 在面板上改变电流的设定值，用高精度电流表测量负载上电流，填入下表。 表 4 2输出电流精度定标数据 结论：结论：结论： 结论： 电流的设定值在 102000mA 变化时显示的测量值、实际测的值、纹波电流、绝对 0 I 误差均达到要求。 4.4.2电源稳定度 电源稳定度是指在容许电网波动条件下，对输出电流稳定度的影响。 次序次序 设定值设定值 0 I mAmAmA mA 显示的测量值显示的测量值 0 I mAmAmA mA 实际测的值实际测的值 0 I mAmAmA mA 纹波电流纹波电流 mAmAmA mA 0 I 绝对误差绝对误差 mAmAmA mA 0 I 1 1 1 1 1010.09.870.050.13 2 2 2 2 2019.519.300.050.20 3 3 3 3 100100.0100.620.030.62 4 4 4 4 500500.0500.240.030.24 5 5 5 5 10001000.0999.920.030.08 6 6 6 6 15001500.01499.80.030.20 7 7 7 7 20002000.01997.60.032.4 16 表 4 3电源稳定度测试数据 结论：结论：结论： 结论： 电网电压在 180250V 波动时，输出电流最大偏差为 0.99 mA 纹波电流小于 0.05 mA 输出电流和纹波电压均达到了发挥部分要求 4.4.3负载稳定性 负载稳定度是指一定的工作情况下，负载变化引起的输出电流变化。 表 4 4负载稳定性测试数据 结论：结论：结论： 结论： 负载在 010变化时，输出电流最大偏差为 0.99 mA 纹波电流小于 0.05 mA 输出电流和纹波电压均达到了发挥部分要求 4.4.4纹波及噪声 由表 4.4.1表 4.4.3 的测试结果，可知： 最大纹波电流小于等于 0.05 mA，优于发挥部分要求。 maxoN I 测试条件：测试条件：1000 mA= 3工作 30 分钟 0 I L R 电 网 电 压电 网 电 压 输出电流输出电流 180V180V180V 180V i U200V200V200V 200V i U220V220V220V 220V i U250V250V250V 250V i U mA 0 I 999.43999.96999.98999.02 mA 0 I0.040.020.020.03 测试条件：测试条件： 220V/50HZ= = = = 1000 mA工作 30 分钟 i U 0 I L R0 0 0 0 2 2 2 2 4 4 4 4 6 6 6 6 8 8 8 8 101010 10 V 0 U 0.574262.56224.59276.58628.579510.5585 mA 0 I 999.22999.28999.121000.071000.09999.10 mA 0 I