数控直流电流源.docx
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数控直流电流源
目录
一方案设计与论证---------------------------------------------------------3
1.1总体设计方案与比较--------------------------------------------------3
二模块电路设计及比较-----------------------------------------------------3
2.1电源模块-----------------------------------------------------------4
2.2数码管显示模块-----------------------------------------------------5
2.3D/A转换模块-------------------------------------------------------7
2.4恒流源模块---------------------------------------------------------7
三软件设计---------------------------------------------------------------9
3.14*4键盘工作原理---------------------------------------------------9
3.2数值处理原理------------------------------------------------------10
3.3程序流程方框图----------------------------------------------------11
3.4程序清单----------------------------------------------------------12
四系统测试---------------------------------------------------------------12
4.1功能测试----------------------------------------------------------12
4.2纹波系数测试-------------------------------------------------------13
五数据处理---------------------------------------------------------------14
5.1康铜丝阻值测试---------------------------------------------------14
5.2误差测试---------------------------------------------------------14
六发挥与创新-------------------------------------------------------------16
参考文献------------------------------------------------------------------17
仪器仪表------------------------------------------------------------------17
附录----------------------------------------------------------------------18
一方案设计与论证
1.1．总体设计方案
采用以89C51为核心的单片机系统来控制12位AD7521的数据的输入并将其转换成模拟量输出同时单片机把输入的预值电流送数码管显示，再根据输出的电压量来控制电流的变化，此方案的优点是输入的预值电流信号稳定且避免了大量的数据存储，其电路方框图如图1.2所示：
图1.2方案二方框图
二模块电路设计及比较
系统硬件以A789C51单片机为核心，外围包括电源模块、数码管显示模块、D/A转换模块及恒流源模块。
2．1电源模块
本设计共用到电源有三种：
即±5V+5V+21V.
2.1.1电源原理
稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.1
图2.1电源方框及波形图
a整流和滤波电路：
整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。
滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。
b稳压电路：
由于得到的输出电压U4受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。
+5V其中+5V给AD7521供电；-5V为AD7521参考电压。
由于要求输出的电流最大值为2000mA，而且取样电阻为1欧所以要求AD7521输出的电压至少为2伏，通过计算-5伏的电压足够实现上述要求。
图2.3中电路提供+5V的电源；主要用于单片机（AT89C51）、数码显示（包括74LS164,CC7107）、键盘。
图2.4中提供的21V的电源用于LM358和VCC.由于要求输出的电流最大值为2000mA,而且主要电流从它通过，所以要用大电容，本设计采用两个4700UF50V的电容并联（同时为了减小纹波系数本设计在两个电容之间接入有源滤波电路），由于的LM358的耐压值最大可达42V，所以LM358可以安全工作。
图2.2±5V电源原理图
图2.3+5V电源原理图
图2.4VCC电源原理图
2.2数码管显示模块：
74LS164为串行输入并行输出的移位寄存器，可以作为静态显示器接口，接在89C51的串行口上用于数码的显示。
数码显示模块如图2.5所示。
图2.5预值数码显示模块原理图
利用CC7107A/D转换器组装成3.5位数字电压表,该电路为CC7107,LED和若干无源元件组成的数字电压表电路。
该电路采用标准的3.5位显示电路进行显示，其中最高位可以显示千位的“1”和显示负号。
此外，由于该电路的两个输入端即COM与V+端的电位差具有很高的稳定性，可以作为参考电压源。
因此，可以通过分压的方法来扩大它的量程。
由于两个输入端最大承受电压为200mV因此要实现最大值为2000mV的显示可以用以下分压形式。
而在本设计中的采样电阻为1欧所以被测电压值即为被测电流值.
图2.73.5位数字电压表原理图
2.3D/A转换模块：
AD7521作为D/A转换器其芯片管脚如图2.8所示BIT1—BIT12为数字量输入，Rfe为模拟量输出，Vref为参考电压Vdd为+5V电源。
数模转换公式：
（2-1）
例如:
BIT1—BIT12为（111111111111）且Vref为-5V，则：
（2-2）
当BIT1—BIT12为（100000000000）且Vref为-5V,则：
（2-3）
由于该设计的发挥部分要求步进1毫安；基与此采用AD7521的12位数模转换来代替AD7520的10位数模转换。
图2.8AD7521芯片管脚图
2.4、恒流源模块
方案一：
本设计在起初利用图2.9所示恒流源电路，运放的输出端通过三极管与反向输出端相连，构成负反馈电路，由于运放的同相输入端与反相输入端在理论上是虚短的，且运放的输入电阻无穷大，因此反相端和同相端的电位相等，即
又由于三极管的发射极
与集电极电流
仅相差微小的基极电流，可视为两者相等即
。
因此可以通过改变同相输入端的电压来调整输出电流
的大小。
例如：
时，
但是在测试
对
的控制比预期效果差，总是小于理论值。
方案二：
运放的反相端输入端与输出端同样采用负反馈电路，但是由于在反馈电路中加入了可调电阻，使得取样电阻上的电流可以微调，实现输出电流与理论值相同，大大提高了输出电流的精度，又由于运放的同相输入端的信号来自与数模转换模块的运放输出，稳定度很高。
所以恒流源采用方案二。
原理图如图2.10所示，图中输出端取样电阻为1欧大功率电阻；康铜丝具有功率大，受热情况下其阻值改变不大，所以采用康铜丝代替。
（其阻值采用LCR数字电桥精确测量）。
图2.9方案一恒流源电路原理图
图2.10方案二恒流源电路原理图
三软件设计
本作品使用WAVE系列仿真器作为编程器件，它是以WINDOWS为设计平台，在使用时先在WAVE环境下编辑程序，然后保存程序、建立新项目、设置项目，接着编译程序，最后调试和执行这样一步步来实现仿真。
本作品软件要实现的功能是：
键盘对单片机输入数据，单片机对获得的数据进行处理，送到12位数模转换器（AD7521）,再送到恒流源模块，实现数字量对电流的控制。
模块框图见图3.1
图3.1单片机模块方框图
3.14*4键盘工作原理：
键盘对单片机输入数据，键盘为4*4矩阵键盘，用AT89S51的并行口P1接4×4矩阵键盘，以P1.0－P1.3作输入线，以P1.4－P1.7作输出线 4×4矩阵键盘识别处理每个按键有它的行值和列值 ，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。
矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。
每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。
键盘处理程序的任务是：
确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。
两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。
键盘原理图见图3.2
图3.2键盘原理图
3.2数值处理原理
键盘对单片机输入数据，（所要得到的电流值），单片机将得到的数据进行转化成D/A转换器AD7521所需要的数字信号。
假设键盘输入的电流值为I,由于AD7521为12位的D/A转换器，待转换的数字信号最大值为2^13-1=4095,根据题目要求所显示的电流最大值为2000mA，则D/A转换器的数字信号和输出的模拟信号的线形关系为：
（3-1）
式中I为需要输出的模拟信号值。
为了单片机处理数据的方便，让D/A转换器的数字信号为最大值4095时，输出的模拟信号最大值为2047mA,则其线形关系为：
（3-2）
D/A转换器输入的数字信号由单片机给出，从单片机的P0、P2口输出，单片机根据输入的I值，把I值乘以2，再转换成二进制数字信号，送到P0、P2口。
启动D/A转换即可输出所需要的模拟信号值。
3.3程序流程方框图
主程序流程图：
图3.3主程序流程图
图3.4键盘处理流程图
3.4程序清单
程序清单见附录。
四系统测试
本设计可实现0到2A之间任意预置值（0000-2000mA），同时具有+/-1mA和+/-10mA的步进。
4.1功能测试
本设计要求输出电流范围为200mA—2000mA，根据图2.10恒流源模块可知，采样电阻两端电压为200mV—2000mV，由电压值可以推算出数模转换模块的参考电压︱Vref︱至少为2伏（Vref<0）。
本设计的Vref=-2.15V.输出端模拟电压范围为0—2000mV，所以输出电流为0----2000mA.题目要求在200mA—2000mA内任意预值，本设计可实现0—2050mA的预值。
本设计通过键盘输入电流值送单片机（AT89C52）,单片机根据输入的键值，将模拟量转换为数字量送给模数转换电路；然后输出模拟量。
下面列出部分电流值及其对应的理论和实际的数字量如表4.1
表4.1预值测量值
电流值（mA）
理论值
实际值
2047
0FFF
0FFE
1024
07FF
07FA
512
03FF
03FB
256
01FF
01FC
128
00FF
00FD
64
007F
007D
32
003F
003C
16
001F
001E
8
000F
000D
4
0007
0008
2
0003
0002
1
0001
0001
4.1.1步进测试
题目要求具有“+”“-”步进调整功能，步进小于等于10mA，发挥部分要求步进1mA,本设计具有步进调整10mA和1mA功能。
完全符合发挥部分的要求并对功能进行了扩充。
4.2纹波系数的测试
4.2.1纹波电流测试
本设计要求电流小于0.2毫安，根据恒流源模块电路，用低频交流毫伏表测采样电阻（康铜丝绕制而成，由于该电路为直流电路没交流成分，所以不会产生感抗）两端的电压，同过公式：
纹波电流（Iw）=纹波电压（Uw）/采样电阻（1欧），通过测试，列表如下：
表4.2纹波系数测量
电流值（mA）
交流毫伏表读数（mv）
示波器读数（Vpp）
（mV）
200
0.04
0.06
500
0.12
0.14
1000
0.30
0.39
1500
0.35
0.48
2000
0.60
0.63
注：
交流毫伏表型号为：
苏州电子仪器厂生产的SX2172
示波器的型号为：
江苏电子仪器集团有限公司生产的YB43020B
4.2.2纹波系数测试
由于电源电路存在纹波系数，必须尽量减小纹波系数，本设计采用措施有：
ⅰ电源大面积共地（注意大电流与小电流不能共地）
ⅱ在整流桥后加大电容虑波，本设计采用约为10000
ⅲ为了进一步避免纹波电压对电路的干扰而产生的纹波电流，本设计又加入了有源滤波电路。
电路如图4.1其滤波效果相当于
的容量的电容的滤波效果这样进一步减少了纹波电流系数
图4.1有源滤波电路
五数据处理
5.1康铜丝阻值测试
电路中需要1欧的大功率电阻，本设计用HZ2790型的LCR数字电桥（北京瑞普电子仪器厂生产）测量康铜丝的阻值，该仪器短路电阻为0.056欧，加上康铜丝后电阻值为1.056欧，误差为0.001欧，精度为0.001。
5.2误差测试
下面列出部分电流值及其对应的理论和实际的数字量，其中对应码值为输入电流对应数模转换所需要的码值，实际码值为单片机根据输入电流值处理后送到数模转换器的码值如表5.1所示。
表5.1误差测试表
输入电流值（mA）
理论码值
实际码值
实际电流值（mA）
误差（mA）
2047
0FFF
0FFE
2047
0
1024
07FF
07FA
1025
1
512
03FF
03FB
513
1
256
01FF
01FC
256
0
128
00FF
00FD
128
0
64
007F
007D
64
0
32
003F
003C
33
1
16
001F
001E
16
0
8
000F
000D
8
0
4
0007
0008
4
0
2
0003
0002
2
0
1
0001
0001
1
0
通过测试发现，结果的最大误差为当输入电流为32mA时，误差为1mA.小于输出电流的0.1%
而题目中发挥部分要求输出电流变化的绝对值≤输出电流的0.1%+1mA，即1.032，而本设计测量出来的误差值小于规定的误差值。
六发挥与创新
（1）输出电流范围为0mA～2050mA，步进1mA,功能比发挥部分功能更优越；
（2）具有测试与显示输出电流的数字显示表,测量误差的绝对值≤测量值的0.1％+2个字,达到发挥部分要求；
（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％+1mA；
（4）纹波电流达到规定要求小于0.2mA;
（5）其他:
本设计具有利用数字拨码开关,可使系统脱离单片机工作,这样可以校正系统误差
详细介绍见各功能模块介绍。
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