数控直流电流源.docx

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数控直流电流源

HefeiUniversity

2015年合肥学院电子设计竞赛

项目报告

项目名称：

数控直流电流源

作者姓名：

班级：

13级通信工程

（2）班

完成时间：

2015.3.16

数控直流电流源

摘要

本设计采用闭环控制实现直流电流源，系统以AT89S51单片机为控制核心，可以连续设定200mA-1000mA的电流值，根据设定的电流值，通过12位D/ATLV5618输出控制电压，10位A/DTLC1549对输出电流进行反馈，按照PID控制算法和运放的电流串联负反馈特性，实现一种高精度、低纹波、带负载能力强的直流电流源。

该电流源可以通过键盘进行预置调整设计值，且输出值能通过LCD显示。

经过ADC采样，完成输出电流显示功能，是理想的电流源解决方案。

关键词：

精密电流源；单片机；高精度；数控

一、引言

科学技术是第一生产力，科技进步与创新是推动社会进步和科技发展的决定性因素，科研与创新训练是培养创新意识、提高创新能力、培养创新型人才的有效途径。

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二、系统整体设计

数控直流电流源，输出交流200-240V，50Hz;输出直流电压≤10V.设计原理图如下：

图1设计要求示意图

说明：

（1）输出电流可用高精度测量表测量；如果没有高精度电流表可在采样电阻上测量电压换算成电流；

（2）纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流。

三、恒流源的工作原理

3.1.基本原理

恒流源的设计方法有多种，最简单的恒流源电路是FET或恒流二极管，但其输出的电流值有限且的稳定度也较差。

包括调整管、采样电阻、基准电、误差放大器和电源等主要环节。

通过采样电阻将输出电流转换成电压，然后与基准电压进行比较，比较后的误差经过误差比较器推动调整管对输出电流进行调整，最后将输出电流调节在设定值并保持不变。

数控恒流源则将基准电压用D/A转换器代替，并受单片机控制。

3.2原理框图

常用的串联调整型稳流电源原理框图如图2所示。

图2串联调整型稳流电源原理框图

四、方案论证与选择

4.1数控部分

方案1：

采用中小规模数字器实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内部接口繁琐，中间互相关联多，抗干扰能力差，同时也很难对功能进行扩展。

方案2：

采用单片机AT89S51小系统完成整个数控部分，键盘/显示部分则采用HD7279,不仅简化接口引线，而且减少了软件对键盘/显示的查询时间，提高了单片机的利用率。

同时，AT89S51对于扩展系统功能也十分方便。

基于上述考虑，我们选择方案2.

4.2电源提供部分

方案1：

电路所有部分采用单电源供电。

这样供电比较简单，但是由于电流输出部分要求最高达到2A，电流较大，如果对反馈电路元件用同一电源供电，则会严重影响单片机及各集成电路的工作，对系统进行很大的干扰。

方案2：

使用两组电源。

一组电源对各中小规模集成电路及单片机供电（±15V和+5V），另一组则单独对电流输出部分供电。

这样可以在很大程度上消除干扰，保证系统的稳定性。

基于上述考虑及题目要求，本设计采用方案2.

4.3基准电压输出部分

基准电压输出部分将数控部分送来的控制字转换成稳定电流输出，电路主要由D/A转换、反馈调整等几部分组成。

电流输出范围为20-1000mA，步长为1mA，共有980种状态。

而D/A转换部分输出的电压作为稳压输出电路的参考电压。

方案1：

采用10位DACTLC5615进行D/A转换，这样转换的精度能达到：

精度达不到本系统的要求。

方案2：

采用TLV5618进行D/A转换，TLV5618是12位的转换器，他的转换精度为：

所以12位的D/A转换能满足本系统的精度要求，步进能达到1mA，而且TLV5618是12位串口的电压输出，这样不但会提高输出速率，更能提高系统的精度。

根据对比，我们选用方案2来实现对电路电流的控制。

五、系统的硬件设计与实现

5.1电路设计及器件选择

下图为本设计的电路原理图。

图中并联的R2与R3为电流取样电阻R0，J4为DAC给出的参考电压EE,U1A为误差放大器，T1和T2组成的复合管为调整管，根据恒流源的原理，输出电流I0=EE/R0，说明稳流电源输出电流由基准电压EE和采样电阻R0决定，EE和R0一经确定，稳流电源的输出电流将不受电源电压和负载影响而保持稳定。

C7和C8用于抑制电流噪音，以减少输出电流的纹波，U6和U2A用于放大取样电阻上的电压，该电压最终送到单片机系统的A/D转换器，用于显示实际输出电流。

图3电路原理图

5.2取样电阻的选择

在恒流的设计中，采样电阻的选取十分重要，要求噪音低、温度特性好，所以最好选择低温低系数的高精度采样电阻。

例如，锰铜丝或锰铜板材制成的电阻，温度系数约5ppm/℃。

另一方面，由于采样电阻与负载串联时流过采样电阻的电流通常比较大，因而温度也会随之上升，可以通过减小电流密度和增加散热面积来避免因温度过高导致采样电阻组织发生变化，防止采样电阻过热损坏。

但因元件选择余地有限，我们采用两个0.5欧姆、3W的金属膜电阻并联来代替，其功率（6W）远大于实际值（2×2×0.25=1W），为的就是尽量减小因电流增大后，温度升高对采样电阻阻值的影响，以提高输出电流的稳定性。

5.3调整管的选择

由于稳流电源的输出电流全部留过调整管，因此调整管上的功耗将会很大，必须选择大功率的晶体管来做调整管。

为了与放大器更好的匹配，我们采用有一只三极管8050和功率管MJE8055组成的复合管结构，MJE8055的最大输出电流可以达到8A。

通常调整管承受的电压和流过的电流是变化的，在极限情况下，即在最小输出电压和最大输出电流时，为了防止调整管上的功率损耗不过过大，又要防止他进入饱和状态，最好采用稳流电源的输入电压随其输出电压的改变而进行调节，使调整管的集-射电压保持不变，但由于时间和条件限制，本设计中没有采用。

5.4误差电压放大器

5.4.1误差放大器的选择

电流稳定度与放大器有直接关系，在大功率电源里基本上是倒数关系。

例如，若要求电流源的稳定度小与10-4，则放大器的放大倍数要大于10000.现有的集成运算放大器基本上都能够满足这一要求。

本设计采用TL082做为误差放大器，其具有：

1.2V/uV（RL=2K）,0.5V/uV（RL=0.6K）的高增益；300uV的低输入失调电压；15nA的低失调电流；2.5uV/℃低温漂；0.55uV的低噪音电压。

5.4.2放大电路工作电压的选择

EE取值越大，稳定治愈好，但是随着EE取值的增大，采样电阻上的功耗也会随之增加。

为了保证误差放大器的精度，在我们的设计方案中，采样电阻为0.25欧姆，最大电流时电压是0.5V，题目要求最大输出电压为10V，则调整管的输出电压最大为10.5V，由于调整管采用复合管结构，则复合管的基-射电压为1.4V，所以要求放大电路最大输出电压为11.9V，为了防止放大器进入饱和状态，我们将放大电路的工作电压取为±15V。

5.5基准电压源

一个高精度的基准电压是获得一个稳定电流的重要条件。

本设计基准电压源由TLV5618DA转换器提供。

而D/A转换器需要高精度的基准电压，我们选择MC1403，其具有很好的温度稳定性和长期稳定性，并且可以在很大电压、电流和温度范围内工作，可以通过小电流分压器对其分压，从而得到不同的基准电压值。

D/A转换部分送出的电压控制字转换成稳定电流输出。

电流输出范围为20-1000mA，步长为1mA，共有980种状态。

本设计选用的12位D/ATLV5618具有4096种状态，能满足题目要求。

设计中用两个电压控制字代表1mA，当电压控制字从0,2,4，…，2000时，对应输出电流为0mA，1mA，2mA，…，1000mA.TLV5618的基准电压由MC1403给出，为2.5V。

测试时，先向TLV5618写入2000，调整电路中的电位器R5，是输出为1000mA即可。

图4是DAC、ADC与单片机接线图，图中，U2为TLC1549，是一个10位的A/D转换器，用于测试实际输出电流。

图4DAC、ADC与单片机接线图

5.6供电部分

本电源先通过变压器电压隔离、桥式全波整流、电容滤波，再通过三端固定输出集成稳压器产生稳定电压+12V、-12V、+5V、-5V，稳压器内部电路由恒流源、基准电压、取样电阻比较放大、取样管、保护电路、温度补偿电路等组成。

如图所示，为了改善纹波特性，在输入端加接电容，为了改善负载的瞬态响应，在输出端加接电容。

输入电压选择原则是：

Vimax>Vi>V0+2V,Vimax为产品允许的最大输入电压，V0为输出电压，2V为最小输出电压。

图5供电部分原理图

5.7键盘显示与电路

键盘与显示电路采用HD7279，它与单片机通过串行口连接，能管理8个数码管和64个按键，其中4个数码管用于显示目标值，另外4个用于显示实际输出电流值，同时设计了0-9的数字键、确认键和上升、下降步进调整件。

图6键盘与显示电路

5.8其他注意事项

线路的布线是一个不可忽视的环节。

由于误差放大器处于开环放大状态，增益很高，当各个放大器接地点布置不当时，在地线上形成的干扰信号就很容易使电路形成振荡，成为“开关电源”，导致整机工作不稳定或纹波过大。

可以采取把基准源、阻抗变换器、放大器的各接地点汇集成一点，再将此点与电源线的“灵敏点”共接在一起方法来避免这种干扰。

根据电阻定律可知，地线电阻与它的长度成正比，与他的横截面积成反比。

细长地线比短粗电线更容易产生干扰电势，所以要求地线做得越粗、越短越好。

从电源泄露的微弱电流通过线路板流入放大器的输入端，当输入端靠近电源时，漏电引起的干扰更大。

因此，在设计印制电路板时要在输入放大器两输入周围设置一个底线屏蔽环已达到抑制干扰的作用的目的。

合理地设计安装和调试才能更大限度的发挥线路潜在的性能。

此外，在设计中选用的一些器件如大功率晶体管的发热都很大，所以在制作时应适当增加散热片的数量。

六、系统软件设计

软件系统的任务主要有A/D转换、D/A转换、步进加减、键盘扫描、液晶显示、语音报警等功能。

为了将所有任务有序的组织起来，软件系统采用前后台结构。

为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序：

1液晶显示子程序：

显示欢迎界面，输出电流的给定值和实际测量值；

2键盘处理子程序：

对输出电流进行预置和步进；

3DAC输出设定的电流值

4进行A/D采样；

5数据处理子程序：

将A/D采样的数据与预设值比较，确定要送入DAC的调整值。

6主程序流程图

数控稳流源主程序流程图见下图

图7主程序流程图

七、系统测试与误差分析

7.1测试使用的仪器设备

为了确保系统与题目要求的符合程度，我们对系统中的关键部分进行了测试。

使用的仪器设备如表1所示。

表1测试使用的仪器设备

序号

名称型号规格

数量

备注

1

低频毫伏表

1

测试纹波