数控直流电流源设计报告.docx
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数控直流电流源设计报告
数控直流电流源
一、设计任务和技术要求
1.设计一个数控直流电流源。
2.输出电流0～99mA，手动步进1mA增、减可调，误差不大于0.01mA。
3.具有输出电流大小的数码显示。
4.负载供电电压+12V，负载等效阻值100Ω。
5.电路应具有对负载驱动电流较好的线性控制特性。
6.设计电路工作的直流供电电源电路。
二、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：
三、方案论证
1.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：
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
2.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：
1）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。
2）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。
（a）（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：
1.输出电流与输入电压成正比；
2.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，；
3.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
四、参数计算
1.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。
，
1）
取，，，则计算得
所以我们可以取，
2）
取，，，则计算得
所以我们可以取，
3）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
2.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。
五、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
7805
1
7812
1
7912
1
TTL计数器
74LS192
2
运算放大器
LM324
2
DA转换器
DAC0832
2
BCD/七段译码器
CC4513
2
共阴数码管
/
2
变压器
5V，20W
1
15V，20W
1
二极管
IN4007
8
三极管
S8050
1
自锁式开关
/
1
按键
/
2
即会自动弹起的
电容
470uF
3
0.33uF
3
0.1uF
3
电阻
10K
3
50K
1
700K
1
100Ω
2
300Ω
16
1K
2
可调电阻
20K
1
100K
1
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
六、附录——总原理图
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