数控直流电流源设计报告

数控直流电流源设计任务和技术要求设计一个数控直流电流源。输出电流0～99mA，手动步进1mA增、减可调，误差不大于0.01mA。具有输出电流大小的数码显示。负载供电电压+12V，负载等效阻值100Ω。电路应具有对负载驱动电流较好的线性控制特性。设计电路工作的直流供电电源电路。系统原理概述本设计要求设计出一个数控的直流电源，并且输出电流为0～99mA，可以手动控制增减。在此采用数模转换的原理，只要产生与0～99mA电流相对应的数字量（我们取数字量为0～99），再使用D/A转换器转换为模拟电压量，最后再用V/I转换器将电压量转换为与电压量相对应的电流量即可。为控制输出电流手动步进为1mA增、减可调，我们只要保证数字量（0～99）——电压量（0～9.9V）——电流量（0～99mA）相对应，通过控制数字量手动增减步进为1可调即可。综上，整个系统的原理框图如图一所示：图一系统原理框图图一系统原理框图电压—电流转换单元手动增减数字量产生单元D/A转换与精度调节单元数码显示单元直流稳压电源电路单元方案论证直流稳压电源电路单元小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成。如图二所示：负载负载稳压电路滤波电路整流电路变压器图二稳压电源组成示意图方案一：输出可调的开关电源开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度极差，因此在本设计中不适合此方案。方案二：由固定式三端稳压器组成由固定式三端稳压器（7805、7812、7912）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，它们的输入端接电容可以进一步滤波，输出端接电容可以改善负载的瞬间影响，并且此电路也比较稳定，实现简单。因此在此采用方案二，电路原理图如图三所示：图三固定三端式直流稳压电源电路手动增减数字量产生单元方案一：74LS163为可预置的4位二进制同步加法计数器。采用两片74LS163运用反馈清零或者反馈置数法构成十进制计数器，再将两片73LS163构成2位十进制加法计数器。电路结构较为简单，实现方便，电路图如图四所示。但由于要求电流值增、减可调，而此方法只实现增可调，减可调无法实现，所以不采用此方案。图四74LS163数字量产生电路方案二：74LS192是同步十进制可逆计数器，使用它可以很容易的产生可加可减的十进制数字量。因此此模块采用两片74LS192来产生两位十进制数字量，再通过按键控制电路来控制数字量的加或者减。电路原理图如图五所示：图五74LS192数字量产生电路3.数码显示单元CC4513是一种BCD七段显示译码器、驱动器，它可以把BCD码直接译成七段码，并输出驱动七段显示数码管来显示0～9十进制数码。同时具有消隐输入、锁存以及试灯功能。由于CC4513输出七段码为高电平有效，所以我们必须选用共阴数码管，并且数码管要采用相应的限流措施。这里可以有两种限流方式：每笔段串电阻限流，如图六（a）所示，此种方式连接电阻较多，因此较之第二种线路较复杂，但具有显示亮度均匀的优点。公共端串电阻限流，如图六（b）所示。此种方式线路连接简单，但显示亮度不均匀，显示不同数值时亮度会有所变化。因此我们不采用此方式。（b）图六限流方式示意图综上，采用CC4513的数码显示电路如图七所示：图七数码显示单元电路4.D/A转换单元电路DAC0832是采用先进的CMOS/Si-Cr工艺制造而成的双列直插式电流输出型八位数-模转换器。其内部电路为R-2R倒T形电阻转换网络，在数字量的作用下，转换网络通过对基准电流的分流作用，转换成对应于输入数字量的模拟（电流）量输出，从而完成D/A转换。方案一：使用一片DAC0832对前面数字量产生电路所产生的8位数字量进行转换，此方案简单快捷，电路图如图八所示。但是由于前面所产生的数字量为2位十进制数字量（即BCD编码的8位数字量），并非是8位二进制数字量，所以经由DAC0832转换得到的模拟量并非线性的，会产生跳跃，无法满足题目的第五点要求：电路应具有对负载驱动电流较好的线性控制特性。图八D/A转换单元电路（单片DAC0832）方案二：采用两片DAC0832对前面所产生数字量的高4位和低4位分别转换，然后再经由信号放大处理，使用加法器对转换得到的两个模拟电压值进行相加运算，从而得到所要求的电压值。此种方案在达到题目的要求的前提下，电路较为简单，实现起来也比较容易。因此我们采用此种方案。最终的D/A转换单元电路如图九所示：图九D/A转换单元电路（两片DAC0832）5.V/I转换器将一个电压源信号线性地转换为电流源信号，在仪器仪表及自动化系统设计中经常会遇到。有很多技术资料介绍了各种各样的电压电流转换器（V/I转换器），各有特色。对这种电路的基本要求是：输出电流与输入电压成正比；输出电流为恒流源。即当负载电阻在规定范围内变化时，输出电流保持不变，；输出电流对电源变化、环境温度等的变化不敏感。方案一：如图十（a）所示，运放的负反馈条件成立，故“虚短路”概念成立。同相端电压：，反相端电压：，虚短路：。可见负载电流I与V成正比，且与负载RL无关。运放我们采用意法半导体公司的TS982，它的输出电流在100mA～200mA之间，完全能够满足要求。方案二：如图十（b）所示，在（a）的基础上稍加修改，使用三极管S8050进行扩流，则输出电流I主要决定于三极管的输出电流，S8050的输出电流最大有1.5A，完全满足使用要求。运放考虑到前面D/A转换电路中使用到5个运放需用到两片LM324，而一片有4个，所以前面有多余的运放未使用，为节约成本，这里就可以使用前面LM324上多余运放。由于TS982运放并不常见，所以在这里我们选用方案二。（a）（b）图十V/I转换器参数计算D/A转换单元——电路如图九所示为DAC0832的内部电阻，为DAC0832内部电阻网络的阻值，为电阻与可调电阻的串联阻值，为电阻与可调电阻的串联阻值。，取，，，则计算得所以我们可以取，取，，，则计算得所以我们可以取，运算放大器与电阻，，组成加法电路，输出电压计算公式为：当时，有关系式：所以我们可以取V/I转换单元——电路如图十（b）所示运放的负反馈条件成立，故“虚短路”概念成立。同相端电压：；反相端电压：；虚短路：。可见负载电流I与V成正比，且与负载无关。我们取，，所以计算得。元器件清单、调试用仪器设备清单元器件清单器件名称型号数量备注三端稳压器780517812179121TTL计数器74LS1922运算放大器LM3242DA转换器DAC08322BCD/七段译码器CC45132共阴数码管/2变压器5V，20W115V，20W1二极管IN40078三极管S80501自锁式开关/1按键/2即会自动弹起的电容470uF30.33uF30.1uF3电阻10K350K1700K1100Ω2300Ω161K2可调电阻20K1100K1仪器设备清单仪器设备名称型号数量数字示波器1数字万用表1毫伏表1附录——总原理图

附录资料：不需要的可以自行删除数控设备使用中应注意的问题

2.1数控设备的使用环境

为提高数控设备的使用寿命，一般要求要避免阳光的直接照射和其他热辐射，要避免太潮湿、粉尘过多或有腐蚀气体的场所。精密数控设备要远离振动大的设备，如冲床、锻压设备等。

2.2良好的电源保证

为了避免电源波动幅度大（大于±10%）和可能的瞬间干扰信号等影响，数控设备一般采用专线供电（如从低压配电室分一路单独供数控机床使用）或增设稳压装置等，都可减少供电质量的影响和电气干扰。

2.3制定有效操作规程

在数控机床的使用与管理方面，应制定一系列切合实际、行之有效的操作规程。例如润滑、保养、合理使用及规范的交接班制度等，是数控设备使用及管理的主要内容。制定和遵守操作规程是保证数控机床安全运行的重要措施之一。实践证明，众多故障都可由遵守操作规程而减少。

2.4数控设备不宜长期封存

购买数控机床以后要充分利用，尤其是投入使用的第一年，使其容易出故障的薄弱环节尽早暴露，得以在保修期内得以排除。加工中，尽量减少数控机床主轴的启闭，以降低对离合器、齿轮等器件的磨损。没有加工任务时，数控机床也要定期通电，最好是每周通电1～2次，每次空运行1小时左右，以利用机床本身的发热量来降低机内的湿度，使电子元件不致受潮，同时也能及时发现有无电池电量不足报警，以防止系统设定参数的丢失。

3数控机床的维护保养

数控机床种类多，各类数控机床因其功能，结构及系统的不同，各具不同的特性。其维护保养的内容和规则也各有其特色，具体应根据其机床种类、型号及实际使用情况，并参照机床使用说明书要求，制订和建立必要的定期、定级保养制度。下面是一些常见、\o"gm,通用"通用的日常维护保养要点。

3.1数控系统的维护

（1）严格遵守操作规程和日常维护制度

数控设备操作人员要严格遵守操作规程和日常维护制度，操作人员的技术业务素质的优劣是影响故障发生频率的重要因素。当机床发生故障时，操作者要注意保留现场，并向维修人员如实说明出现故障前后的情况，以利于分析、诊断出故障的原因，及时排除。

（2）防止灰尘污物进入数控装置内部

在机加工车间的空气中一般都会有油雾、灰尘甚至金属粉末，一旦它们落在数控系统内的电路板或电子器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及电路板损坏。有的用户在夏天为了使数控系统能超负荷长期工作，采取打开数控柜的门来散热，这是一种极不可取的方法，其最终将导致数控系统的加速损坏，应该尽量减少打开数控柜和强电柜门。

（3）防止系统过热

应该检查数控柜上的各个冷却风扇工作是否正常。每半年或每季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象，若过滤网上灰尘积聚过多，不及时清理，会引起数控柜内温度过高。

（4）数控系统的输入/输出装置的定期维护

80年代以前生产的数控机床，大多带有光电式纸带阅读机，如果读带部分被污染，将导致读入信息出错。为此，必须按规定对光电阅读机进行维护。

（5）直流电动机电刷的定期检查和更换

直流电动机电刷的过度磨损，会影响电动机的性能，甚至造成电动机损坏。为此，应对电动机电刷进行定期检查和更换。数控车床、数控铣床、加工中心等，应每年检查一次。

（6）定期检查和更换存储用电池

一般数控系统内对CMOSRAM存储器件设有可充电电池维护电路，以保证系统不通电期间能保持其存储器的内容。在一般情况下，即使尚未失效，也应每年更换一次，以确保系统正常工作。电池的更换应在数控系统供电状态下进行，以防更换时RAM内信息丢失。

（7）备用电路板的维护

备用的印制电路板长期不用时，应定期装到数控系统中通电运行一段时间，以防损坏。

3.2机械部件的维护

（1）主传动链的维护

定期调整主轴驱动带的松紧程度，防止因带打滑造成的丢转现象；检查主轴润滑的恒温油箱、调节温度范围，及时补充油量，并清洗过滤器；主轴中刀具夹紧装置长时间使用后，会产生间隙，影响刀具的夹紧，需及时调整液压缸活塞的位移量。

（2）滚珠丝杠螺纹副的维护

定期检查、调整丝杠螺纹副的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度；定期检查丝杠与床身的连接是否有松动；丝杠防护装置有损坏要及时更换，以防灰尘或切屑进入。

（3）刀库及换刀机械手的维护

严禁把超重、超长的刀具装入刀库，以避免机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具发生碰撞；经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整；开机时，应使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作；检查刀具在机械手上锁紧是否可靠，发现不正常应及时处理。

3.3液压、气压系统维护

定期对各润滑、液压、气压系统的过滤器或分滤网进行清洗或更换；定期对液压系统进行油质化验检查、添加和更换液压油；定期对气压系统分水滤气器放水。

3.4机床精度的维护

定期进行机床水平和机械精度检查并校正。机械精度的校正方法有软硬两种。其软方法主要是通过系统参数补偿，如丝杠反向间隙补偿、各坐标定位精度定点补