电子设计竞赛设计报告

1/1电子设计竞赛设计报告题目：数控电流源设计

3）单片机及键盘、显示部分：接受操作指令，控制并检测输出电流。

4）输出过压保护部分：由于题目要求输出电压不大于10V，当负载阻抗过大是需要将输出电压限制在10V以内。

1．2各部分设计方案选择

1.2.1稳压电源部分

可选择的方案有线性稳压电源和开关稳压电源两种，但考虑到输出电流纹波要求很高，开关电源虽然效率很高但纹波较大，易对电流源部分造成干扰，影响整体性能指标，本设计采用线性稳压电源。

不论选用何种方案,最终都要输出正、负12V和正5V的电压的给系统供电。为了减小纹波电压和纹波电流,我们选择稳流前先稳压。

方案一：采用三端固定式的集成稳压器78XX系列，实现设计的要求。

方案二：采用三端可调式的集成稳压器，一样可以达到设计的要求。

方案三：采用三端固定集成稳压器78HXX和78XX系列混合设计。

方案选择：因为系统需要正、负12V和5V的电压。正、负12V给运放供电，+12V同时还作为电流源主电源，最大电流达2.5A，5V给单片机系统供电。采用方案三最简单，但目前手头没有78HXX稳压器。方案一和方案二的+12V电源均需扩流，才能达到要求，方案二达到的稳压精度最高，但电路较复杂。方案一相对简单，成本低、器件易购，因此我们最后选择方案一。

1.2.2恒流控制部分

电流源的电流控制可采用大功率双极型三极管或MOS场效应管作为电流调整管。三极管价格较低，各种参数要求的三极管都容易买到，但三极管VCE较小时非线性大，放大性能不佳，大电流时饱和压降较高、基极要求的驱动电流较大。大功率MOS管的导通电阻很小、热稳定性好、总线接口、电压比较器、温度传感器等部件，比常规51单片机有更多的定时计数器、中断、数字I／O接口。片内还配置了标准的JTAG接口(IEEEll49.1>。在上位机软件的支持下，通过串行的JTAC接口可直接对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式、不占用片内资源、全速在线系统的调试，无需另配编程器及仿真器，是目前功能最强大、性能价格比最好的单片机之一

C8051F021单片机内置12位A/D,D/A转换器，分辨率可以达到4096个等级，对于最大电流2000mA，其最小步进可以达到0.5mA，完全可以达到题目发挥部分的步进技术指标要求。

1.2.4数据显示部分

显示器可供选择的方案有LED数码管、LCD液晶数码管和点阵式LCD显示屏三大类。其中，LED数码管显示清晰度高，视角大，电路结构及控制简单，编程操作容易，但显示信息少，无法显示汉字和图形曲线。LCD数码管功耗低，但视角小，驱动比LED显示屏要麻烦一些，其余特性与LED数码管基本相同。点阵式LCD显示屏显示的信息量大，自带的显示驱动电路用并行口与单片机直接连接，可以显示任意字符、图形、曲线等。综上所述，我们选择了可显示六行汉字的带背光功能点阵式LCD显示屏作为系统操作信息的输出窗口。

1.2.5键盘

键盘设置方案有两种，一种是按键复用方式，采用的按键数量较少，但操作相对较为麻烦；另一种是使用单功能键方式，这种方式按键数量较多，但操作方便、直观。本系统设计中采用单功能键方案，为了使系统具有直接电流数据预置功能，设置数字键0――9，功能键有按步长加、减，确认、返回等。实际使用的键盘为自制的4×4矩阵扫描键盘。

1.2.6输出过压保护

题目要求输出电压要小于等于10V，当电流源负载阻抗过大时，输出电压将超过规定值，为此设置过压保护电路。过压保护最简单的方式就是在输出端并联一个10V的稳压管，但这种方案在电流源电流大、负载阻抗过高时，稳压管功耗很大<例如：电流源2A，负载开路），实现有困难。另一种方案是当输出电压达到10V时限制电流调整管的电流，将输出电压限制在10V以内，这种方案功耗较小，散热容易解决；在实际设计中我们选择后一种方案。

二、电流源硬件电路及工作原理

2.1电流源硬件部分

电流源主电路见图2-1，图中元器件参数见表2-1。电路包括稳压电源、稳流电源、单片机电流控制及负载电流测量电路等。

TP42C+12VC11

B

图2-1

2.2各部分工作原理及关键器件参数计算

2.2.1稳压电源部分

变压器选择：由电源变压器降压、双全波整流电容滤波产生正负直流电压VC1、VC5,要保证输出电压<C3）稳定在12V，整流滤波电压VC1应在18V左右，变压器副边电压Vi＝VC1÷1.2≈15V，实际选择±18V/1.8A的变压器<说明：有些器件需要的参数无法及时买到，只能用相近的参数替代，下同）。VC1＝18×1.2≈22V。

滤波电容C1选择：正电压回路等效阻抗RE＝22V÷2.5A≈9Ω，要求滤波时间常数τ＝C1×RE＝30mS～50mS，所以C1取4700μF/35V。

分流电阻R1选取：+12V电流最大达2.5A左右<包括单片机部分），LM7812最大电流只有1.5A，必须增加扩流三极管，R1的大小决定LM7812与扩流三极管的电流分配比例，为了保证稳压性能集成稳压块的电流不宜过大，400mA左右为宜。因此，R1选2Ω/1W的金属膜电阻。当12V电流在300mA以下时，扩流三极管基本截止，电流由集成稳压块提供，当电流超过400mA时，超过部分电流全部由扩流三极管提供，扩流三极管选TP42C。

单片机+5V电源：单片机的整机电流在500mA以内，为简化电路结构，+5V电源直接由+12V经LM7805稳压提供，因此+12V电源的功率比较大。

-12V电源：-12V电源主要是向运放供电，电流很小，用LM7912即可，对参数无特殊要求，也无须加散热器。

整个电源电路见图2-2

图2-2稳压电源部分电路图

2.2.2稳流控制与系统电流自测部分

稳流电路由MOS管J118、运放F－2及相关元器件构成，电路如下图2-3，电流控制部分等效电路见图2-4。

图中Rs为电流源负载电流取样电阻，采用温度稳定性好、能通过3A的锰铜丝绕制，阻值0.25Ω。J118为P沟道大功率MOS管，电路中作为电流调整管，由于采用漏极输出结构<共源极放大器），输出阻抗高，等效电流源内阻大，恒流特性好，加上由F－2和J118构成电流串联负反馈放大器，使输出阻抗更高，负载电流更加稳定。

图2-3实际电流源电路

图2-4电流控制部分等效电路

电路的模拟输入电压是单片机D/A转换器的输出电压，工作过程中，始终保持D/A转换器的输出电压与Rs两端电压成比例，因此改变D/A

转换器的输出电压就可以调整Rs电流——输出电流IO。调试时将单片机指令电流定在2000mA<RL=2Ω），调整RP，使输出负载电流达到2000mA即可。因此，RP称为负载电流校正电位器。

系统电流自测电路：运放F－1是一同相比例器，将电流取样电阻Rs两端电压放大到符合A/D转换器的要求。A/D转换器输入电压满量程为

2.45V，而电流源最大负载电流为2000mA，因此，F－1的电压放大倍数为：

单独调试时将负载电流IO调到2000mA，使图2-3中D点电压为2.45V；最终联机校正时，将单片机的自测显示电流调整到与指令电流<取

2000mA、RL=2Ω）相同即可。

图2-3中C11,C13均有降低电流纹波的作用，R4，C12可使放大器更加稳定，A、B两点为输出端接线柱。运放应选择失调电压小、稳定性好

型号，实际制作中限于条件，只能采用通用双运放TL082，对电路的性能参数略有影响，基本上可以达到发挥部分的指标要求。

2.2.3输出过电压保护电路

输出过压保护电路如图2-5所示。

AB

G

图2-5输出过压保护电路

电路核心器件是可编程集成稳压器TL431，图2-5中G点接图2-1中J118栅极<9015的C－E与MOS管G－S并联），A、B接输出端。工作

原理是：当输出端电压VAB小于10V时，TL431阴极无电流，9015截止，电路正常工作<J118不受影响）；当输出电压VAB大于10V时，TL431和9015导通，使MOS管J118的VGS绝对值减小，MOS管导通电流下降，从而起到限制输出电压的作用。

2.2.4功率器件的散热设计

本系统功耗较大，例如：在输出电流设定为2000mA、负载阻抗很小或短路的情况下，系统内部的总功耗将达50W以上，如果系统散热问题

处理得不好，电路难以稳定、可靠工作，甚至大面积烧毁器件。如果采用自然散热方式，则散热器面积必须很大，势必造成体积大、成本高，安装困难。在设计、制作中，我们选用了体积不大、价格低廉的电脑CPU散热器<P4专用，带风扇，耗散功率60W以上），作为主散热器，将功耗较大的

扩流三极管TP42、电流源调整管J118等主要功率器件安装在主散热器上，并涂抹导热硅脂。

从调试情况来看，此种处理方法非常成功，即使是在负载短路、2000mA电流的情况下，长时间运行，散热器的温度也只有65℃左右，电路稳定性很好。

三、软件流程及按键设置

本系统的运行直接由单片机C8051F021控制，其软件系统包括主程序、定时器中断服务程序等，程序流程图分别见图3-1，图3-2，图3-3。

3.1主程序流程图：

图3-1主程序流程图3.2中断服务子程序：

图3-2定时器1中断服务子程序图3-3定时器2中断服务子程序

3.3按键设置及系统操作说明

3.3.1按键布局及功能定义

系统共设计16个按键，为4×4矩阵扫描键盘，实际使用14个健，预留了2个按键，键盘布局见图3-4。各按键定义如下：数字键0——9：用于直接输入电流值，单位mA。

确定键：设定完电流值后按确定键，电路立即将输出电流调整到新的设定值。返回键：返回上一级菜单，等待新的输入电流数据，此时输出电流维持不变。“+/-”键：实现步进1mA的“增”或“减”，长按<超过1秒）以每秒5次连续增减。

图3-4

3.3.2系统操作说明书

打开电源开关后，液晶显示屏首先显示开机界面<图3-5），然后自动进入设定界面<图3－6）。这时可通过键盘输入欲设定的电流值。如果设定的电流值超过2047mA，将显示输入数据无效，如图3-7，2秒后返回设定界面；如果输入值小于等于2047mA，则进入图3-8正常工作界面，此时系统将输出设定的电流值。

四、测试结果及数据分析

4.1测试数据记录

实际测试时测试了不同负载阻抗、不同设定电流条件下的负载实际电流并记录了相应的系统自测电流，测试了几种情况下的纹波电压，列表如下：

表6-1电流测试：电阻RL=1Ω

注：系统自测显示值即经单片机A/D转换、在

LCD显示屏显示的数据。

万用表实测值即人工测量结果，测量万用表型号：DT890B+数字万用表<下同）。由于万用表可能存在误差，用不同万用表测试前应进行参数校准，方法是电流设定在2000mA、负载2Ω、调整RP使万用表电流读数为2000mA，调整RTS使LCD显示屏系统自测值为2000mA。

表6-2电流测试：RL=2Ω

表6-3电流测试：电阻RL=4Ω

表6-4交流纹波测试，测量万用表型号：DT890B+数字万用表交流2V档。

4.2测试结果分析

从测试的数据来看,系统的性能基本与我们的期望值相符。但系统自测电流非线性误差较大，而且显示数据有一定的波动范围，尤其是小的流情况下相对误差较大；纹波电流也偏大。造成这些现象，我们认为主要的原因有：

1.运放的失调电压的影响，如果增加失调电压补偿电路或采用高精度运放可以解决小电流下相对误差较大的问题。