可调恒流源设计解读.docx
《可调恒流源设计解读.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可调恒流源设计解读.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
可调恒流源设计解读
设计要求；设计一可调恒流源电路，输出电流范围2mA～20mA,最小刻度0.5mA,波动小于0.1mA
可调恒流源设计
摘要
本系统以直流电流源为核心，MC34063为主控制器，通过电位器来设置直流电源的输出电流，并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。
本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（AD0804）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。
单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。
关键字:
MC34063，恒流源，单片机，A/D
Adjustableconstantcurrentsourcedesign
Abstract
InthissystemtheDCsourceiscenterandMC34063ismaincontroller,outputcurrentofDCpowercanbesetbyapotentiometerwhichsteplevelreaches1mA,whiletherealoutputcurrentandthesetvaluecanbedisplayedbyLED.Inthesystem,thedigitallyprogrammablesignalfromSCMisconvertedtoanalogvaluebyDAC（AD0804）,thentheanalogvaluewhichisisolatedandamplifiedbyoperationalamplifiers,issenttothebaseelectrodeofpowertransistor,soanadjustableoutputcurrentcanbeavailablewiththebaseelectrodevoltageofpowertransistor.Ontheotherhand,Theconstantcurrentsourcecanbemonitoredbythesystemreal-timely,itsworkprocessisthatoutputcurrentisconvertedvoltage,thenitsanalogvalueisconvertedtodigitalvaluebyADC,finallythedigitalvalueasafeedbackloopisprocessedbysothatoutputcurrentismorestable,soastablevoltage-controlledconstantcurrentpowerisdesigned..
Keywards:
MC34063,constantcurrentsource,singlechipmicrocomputer,A/D
1引言
恒流源又叫电流源、稳流源，理想的恒流源具有以下特点：
不因负载（输出电压）变化而改变；不因环境温度变化而改变；内阻为无限大。
恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，一次恒流源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的。
例如在通用的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电源就会相应的减少，为了保证恒流充电，必须随时提高充电器的输出电压，但采用恒流源充电后就可以不必调整期输出电压，从而使劳动强度降低，生产效率得到提高。
恒流源还被广泛应用于测量电路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。
它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到广泛应用。
1.1研究目的和意义
随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。
性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。
众所周知，在我们的实验中，有很多实验是离不开稳定的电源，而有些实验对电源的电流有较高的要求，然而目前实验室所用的直流电源大多输出精度和稳定性不高；而在测量上，传统的电源一般采用指针式或数码管来显示电流或者电压，搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值。
使用上若要调整精确的电流输出，必须搭配上精确的显示仪表监测，又因为电位器阻值特性不线性，先调整是要花费一定的时间，而且还要注意漂移，使用起来非常不方便。
如果直流电源具有良好的输出质量，能以精确的微机控制取代不精确的人为操作在实验开始之前对电源输出进行设置，将会对实验研究带来很大程度的便利。
1.2国内外发展状况
恒流源电路是稳定电源的一个分支，在近五十年间得到巨大发展，构成恒流源的核心器件已由早期的电真空结构的镇流管跨入了半导体集成电路阶段。
恒流源涉足的范围也由传统的稳定电磁场，校正电流表等，扩展至激光，超导，通信等领域，展示了广阔的应用前景。
传统恒流源设计思想主要分为；用稳压源和电阻构成的恒流源，用恒流器件构成的恒流源，以及用负反馈放大器构成的恒流源。
几种恒流源方式各有优势和缺点，分别适用于几种特定的应用环境，也成为很多新颖的恒流电路的所借鉴和依据。
1.2.1国外发展现状
美国国家半导体公司（NAT10-NALSEMICONDUCTOR）生产的LM317K单片功率集成电路构成的恒流源电路,其恒流电流o~1.SA可调。
电路配有以数字面板表（DPM）构成的电流。
性能超过一般的稳压器件。
LM317K的外型封装型式与一般的功率晶体管相同,采用F一2铁壳封装。
它共有三个引出端:
输入端I,输出端O及调整端A,应用十分简便。
LM317K的优质稳定特性,可以构成高精度恒流电源。
实时检测输出电流及负载上的电压,数字显示检测参数单、实用、精确,。
电路采用集成化有源元器件,简构成一个精密可调恒流源及检测的最小系统。
该器件得到的可调恒流源电路实用，准确，精密。
LM334美国国家半导体公司生产的另一款三端可调恒流源器件LM334，相比与LM317K,精度更高，可调范围更大。
在工作电流内恒流源可调范围比为10000：
1，并且具有lv到40V宽的动态电压范围，恒流特性非常好。
恒的建立只需一只外接电阻而不再需要其它元件。
LM334是无需独立电源供电的真正悬浮恒流源。
另外，器件可以反向施加电压到20V而只流过几十微安的电流，在交流应用场合，该器件既町作整流同时又可作恒流源。
该器件还具有与绝对温度（K）成正比的敏感电压特性，因此也可以用作温度传感器。
通过外接一只电阻和二极管可以获得零温度漂移的恒流源。
1.2.2国内发展现状
在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。
一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品。
目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足：
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流恒流源的智能化、网络化方面的研究不是很多。
目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件（PSD）来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。
国内企业如北京大华、江苏绿扬等销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。
总体来说，国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。
近年来，由于超级电容、半导体制冷片等容性负载的发展，以及LED激光二极管等指数负载的发展，更加增加了恒流源的应用需求，新的发展领域还在不断增加着对各种恒流源的需求。
国内电源仍需要加快脚步努力进入国际一流水平。
哈尔滨工业大学测控所对基于PCI总线的程控恒流源进行了研究。
研制出了基于PIC总线的程控恒流源模块。
在该恒流源模块中，以16位DAC产生高精度控制电压，采用具有极低偏移和温漂特性的运算放大器实现V-I转换，采用24位ADC对输出电流进行采样，利用采样结果进行多环路控制，确保输出电流精度高、稳定度好。
并且在V-I转换电路基础之上，利用运算放大器并联技术，增大了恒流源的输出范围[9]。
在±50mA的电流输出范围内，电流精度达到最大绝对误差不低于6μA。
由于哈工大测控所的恒流源模块，电流输出范围大、精度高，主要应用在陀螺仪、惯性导航等航天、航空设备方面。
1.3本文欲采取的研究方法
本研究是对输入的稳压电源，通过利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得输出电流趋于恒定。
只要能够得到电流，就可以有效形成反馈，从而建恒流源。
并通过对数字电位器调节数字信号来控制两端电阻的大小，从而使电位器与单片机完美结合，达到单片机控制电路中电阻的大小从而调节恒流源的大小。
恒流源产生的方法使用并联稳压器，简单且高精度。
2设计方案
本设计是基于MC34063的压控恒流源设计，该系统由恒流源主电路和电流信号采集显示系统组成，其中电流信号采集显示系统主要由单片机控制单元，A/D转换模块，数码管显示单元，信号采集单元组成。
2.1总体方案
本设计是对可调恒流源的设计，通过对器件MC34063的了解，了解到MC34063本身包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路。
它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。
该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件。
符合课题对恒流源设计的要求，所以采用MC34063构成恒流源，只需要对负载提供合适的电压，就可以得到稳定的电源，通过对电位器的调节，达到对电源电流输出大小的调节，从而得到可以调节的稳定的电源。
恒流源部分是由MC34063芯片构成简单升压电路构成。
并对部分电路进行从新设计，使电路具有通过调节电压使电流恒定的功能。
单片机控制系统以单片机STC10F08XE为核心，数模转换器ADC0804实现采样输入，通过单片机的对采集到得数字信号进行编译，把显示采集到得电流值显示在数码管上。
单片机
输出可调恒流源
直流5V供电
MC34063构成恒流电源
A/D数模转换
电流信号采集
数码管
电位器输出电流调节
图2.1系统原理框图
该系统才用5V直流电源供电，5V直流电直接给数码管、单片机、A/D数模转换器和MC34063构成恒流电源系统供电。
当负载处连接上用电器后，MC34063系统对负载输出某一恒定的电流，通过对电位器的调节，控制输出电流的大小。
并在输出端有一个电流信号采集器，对输出电流信号进行采集，采集到后，通过A/D模数转换，将电流信号转换成数字信号传送到单片机，单片机将A/D数模转换器传递过来的数字信号经过编译，将电流的大小显示在数码管上。
2.2MC34063恒流源系统
图2.2恒流源电路
MC34063芯片组成的电路原理图如图2.2所示，VCC是电流输入端，Rse是采样电阻，取300Ω。
当芯片内的开关管导通时，电源经取样电阻Rsc、电感L。
芯片MC34063的1脚接二极管后通过电容接地，2脚则直接接地；此时电感L开始存储能量，而是由上述电路中的102uF的电容对负载提供能量。
当T1开关管关断时，电源和电感同时给负载和102uF的电容提供能量。
电感在释放能量期间，由于其两端的电动势极性与电源极性相同，相当于两个电源相串联，因而负载上得到的电压高于电源电压。
开关管导通与关断的频率称为芯片的工作频率，只要芯片的频率相对负载的时间足够高，负载便可以获得连续的直流电压。
当负载内部电阻发生变化时，脚5测得的电压也发生变化，脚5把测得的电压与内部基准电压1．25V同时送入内部比较器进行电压比较。
当脚5的电压值低于内部基准电压（1．25V）时，比较器输出为跳变电压，开启R—S触发器的S脚控制门，R—S触发器在内部振荡器的驱动下，Q端为“1”状态（高电平），驱动管T2导通，开关管T1亦导通，使输入电压Ui向输出滤波器电容Co充电以提高U。
，达到自动控制U。
从而使得电流恒定。
而当脚5的电压高于内部基准电压（1.25V）时,比较器同样为跳变电压，通过占空比调节，减少高电平接通时间，延长高电平接通时间，降低电压，再次调节电压，使得电流恒定。
其中，输出电压Uo=1.25*（1+R2/R1）由公式可知输出电压仅与R1、R2数值有关，因1．25V为基准电压，R1、R2分别为电位器和负载的阻值大小。
当电位器位置固定是，电位器阻值固定（R1阻值固定），由公式Uo=1.25*（1+R2/R1）可知当R2（负载）的电阻发生变化时，输出电压U也发生变化，从而使电流稳定。
2.3电流显示系统
电流显示部分以单片机STC10F08XE为核心，为单片机提供时钟信号的单片机晶振部分，数模转换器AD0804，负责显示电流值的数码管以及单片机进行重新启动复位部分。
复位电路
数码管
数模转换器AD0804
单片机STC10F08XE
晶振电路
图2.3单片机电流显示系统框图
系统主要包括了对AD0804的数据采集，电流显示，这几项功能的信号通过输入电路经单片机处理。
此外还有复位电路，晶振电路，所以硬件上有手动的复位键，A/D转换芯片，处理芯片为51单片机，显示机构有4位数码管。
2.3.1单片机STC10F08XE
图2.4单片机控制部分
该单片机为51单片机，主要用于将AD0804采集转化的数字信息进行处理，通过编写算法将采集到的电流大小由数码管显示出来。
2.3.2单片机晶振部分
图2.5单片机晶振部分
该部分对单片机的正常工作提供时钟信号，因为单片机STC10F08XE为1T单片机，所以可以采用11.0592MHZ晶振。
2.3.3单片机复位部分
图2.6单片机复位部分
主要用于当单片机发生故障，死机时，通过对按键的操作，对单片机进行重新启动，工作。
2.3.4数码管显示部分
图2.7数码管显示部分
该部分接收单片机的编译后的数字信号，显示出电流的大小。
该数码管采用4位共阳数码管，可显示精确到0.01mA的电流。
2.3.5电流采样处理部分
图2.8电流采集部分
对电路中取电流进行转变为电压，然后将电压送到AD0804上对其进行模数转换，图中R6和C6为AD804提供振荡信号，R8和R9对5V电压进行取中送入VRef作为芯片的参考电压。
2.4整体电路
图2.9整体电路图
2.5系统PCB图
图2.10PCB图
3硬件介绍
3.1MC34063恒流源系统
该系统主要包括了MC34063，部分电阻、电容，构成恒流源系统。
.
图3.1MC34063恒流源系统
MC34063构成恒流电源部分，如图3.1。
比较器的反相输入端（脚5）通过外接负载和电位器监视输出电压。
其中由输出电压公式Uo=1.25（1+R2/R1）可知输出电压，仅与R1、R2数值有关（R1、R2分别为电位器，负载的电阻），因1．25V为基准电压，恒定不变。
若R1、R2阻值稳定，U。
亦稳定。
此时为负载没有变化是。
当负载电阻发生变化时，脚5测得的电压也发生变化，脚5把测得的电压与内部基准电压1．25V同时送入内部比较器进行电压比较。
当脚5的电压值低于内部基准电压（1．25V）时，比较器输出为跳变电压，开启R—S触发器的S脚控制门，R—S触发器在内部振荡器的驱动下，Q端为“1”状态（高电平），驱动管T2导通，开关管T1亦导通，使输入电压Ui向输出滤波器电容Co充电以提高U。
，达到自动控制U。
从而使得电流恒定。
而当脚5的电压高于内部基准电压（1.25V）时,比较器同样为跳变电压，通过占空比调节，减少高电平接通时间，延长高电平接通时间，降低电压，再次调节电压，使得电流恒定。
3.1.1MC34063介绍
MC34063本身包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。
它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。
该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件。
主要应用于以微处理器（MPU）或单片机（MCU）为基础的系统里。
MC34063的主要参数
1、输入电压范围：
2.5～40V
2、输出电压可调范围：
1.25～40V
3、输出电流可达：
1.5A
4、工作频率：
最高可达100kHz
5、低静态电流
6、短路电流限制
MC34063管脚
图3.2MC34063管脚图
1脚：
开关管T1集电极引出端；
2脚：
开关管T1发射极引出端；
3脚：
定时电容ct接线端；调节ct可使工作频率在100—100kHz范围内变化；
4脚：
电源地；
5脚：
电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；使用时应外接两个精度不低于1%的精密电阻；
6脚：
电源端；
7脚：
负载峰值电流（Ipk）取样端；6，7脚之间电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能；
8脚：
驱动管T2集电极引出端。
3.2电流显示系统
该系统主要包括电流信号采集，通过数模转换器AD0804将采集到得模拟信号转换成数字信号，传递给单片机，单片机通过编译，将数字信号显示在数码管上，方便进行读取。
3.2.1单片机STC10F08XE
目前市场上单片机主要有51单片机、PIC单片机、AVR单片机、430单片机等，其中51单片机价格低廉，学习易于上手，使用人群最为广泛，故对该设计采用51系列单片机STC10F08XE。
该单片机是宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成高可靠复位电路,针对高速通信，智能控制，强干扰场合。
STC10F08XE单片机有以下特点
1、具有宽电压支持5.5～4.1V/3.7V电压；
2、低功耗，支持掉电唤醒功能；
3、工作频率为0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz；
4、片内FLASH程序存储器擦写可达10万次以上；
5、内部含有两个定时器，两个外部中断，一个串口通信中断；
6、具有硬件看门狗，增加了掉电唤醒专用定时器等。
STC10F08XE管脚图
图3.3STC10F08XE管脚图
单片机的40个引脚大致可分为4类：
电源、时钟、控制和I/O引脚。
⒈电源:
⑴VCC-芯片电源，接+5V；
⑵VSS-接地端；
⒉时钟:
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
⒊控制线:
控制线共有4根，
⑴ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
①ALE功能：
用来锁存P0口送出的低8位地址
②PROG功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
⑵PSEN:
外ROM读选通信号。
⑶RST/VPD:
复位/备用电源。
①RST（Reset）功能：
复位信号输入端。
②VPD功能：
在Vcc掉电情况下，接备用电源。
⑷EA/Vpp:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
①EA功能：
内外ROM选择端。
②Vpp功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。
⒋I/O线
80C51共有4个8位并行I/O端口：
P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
P0口输入时需要接上拉电阻才能置1；
3.2.2模数转换介绍
接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。
单片机接口技术是研究单片机与外部芯片之间如何交换信息的技术，外部的各种信息通过输入接口送入单片机，而单片机的各种信息通过输出接口送到外部芯片中，因此单片机需要通过信息转换器件实现信息的交流与控制。
人们把由模拟量到数字量转换器件（AnalogtoDigitalConverter）称为模拟—数字转换器，简称A/D转换器或ADC；把由数字量到模拟量转换的器件（DigitaltoAnalogConverter）称为数字—模拟转换器，简称D/A转换器或DAC。
常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，前者转换时间短，但抗干扰能力差；后者转换时间长，抗干扰能力较强。
因此在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，易采用双积分式A/D转换器。
AD0804介绍
ADC0804是8位全MOS 中速A/D转换器、它是逐次逼近式A/D转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。
单通道输入，转换时间大约为100us。
ADC0804转换时序是：
当CS＝0许可进行A/D转换。
WR由低到高时，A/D开始转换，一次转换一共需要66－73个时钟周期。
CS与WR同时有效时启动A/D转换，转换结束产生INTR信号（低电平有效），可供查询或者中断信号。
在CS和RD的控制下可以读取数据结果。
ADC0804由一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成，输入方式为单通道，它的非线形误差为±1LSB，电源电压为单一+5V，模拟电压输入0~5V,分辨率为8位。
属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。
对8位ADC0804而言，它的输出准位共有28＝256种，即它的分辨率是1/256，假设输入信号Vin为0～5V电压范围，则它最小输出电压是5V/256＝0.01953V，这代表ADC0804所能转换的最小电压值
以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式A/D转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起）。
第一次寻找结果：
10000000 （若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第二次寻找结果：
11000000 （若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第三次寻找结果：
11000000 （若假设值>输入值，则寻找位＝该假设位＝0）
第四次寻找结果：
11010000 （若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第五次寻找结果：
11010000 （若假设值>输入值，则寻找位＝该假设位＝0）
第六次寻找结果：
11010100 （若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第七次寻找结果：
11010110 （若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第八次寻找结果：
1101011
升级会员 