高精度数控恒流源设计论文Word文档下载推荐.docx
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第一章系统结构及功能介绍
1.1系统工作原理概述
本系统以Atmel公司生产的AT89S52单片机为控制中心，用D/A输出可调的模拟量来控制场效应管IRF640的导通状态，并控制保持采样电阻两端的电压，从而形成数控压控恒流源。
开机首先读出前一次设定的电流值和限压值作为这一次的电流输出值和限压值。
经过D/A转换器（MAX531）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，随着场效应功率管基极电压的变化而输出不同的恒定电流。
采样电路采样回来的电压值通过A/D转换把模拟量转化为数据量并显示出输出的电压值，和所设定的限压值进行比较，如果大于限压值则启动报警电路进行报警提示用户进行电流设定或限压值设定，若报警数秒后电压值仍高于限压值，系统则自动把输出电流值降为10mA的微小电流，以免长时间工作在限压状态损坏用电器。
实际测试结果表明，本系统能有效应用于需要高稳定度的恒流源的领域。
通过键盘用户可以方便的输入所需电流值和限压值。
并可以通过按键“+”和键“-”进行微调。
从而省去了每次都要手动输入进行微调的工作。
1.2系统的特点和使用
1.2.1系统的特点
■用户可以通过键盘直接输入所需电流值和限流值。
■用户可以通过键盘上的“+”和“-”键进行电流值和限压值进行微调。
■单键模式转换“M”可以随时对电流值和限压值进行设定，方便使用。
■显示实时输出电压值，并能对输出电压值设上限值，超出上限值则报警。
■系统处于限压状态数秒后自动将输出电流值降低，保护用电器。
■额定功率可达到20W。
1.2.2系统的使用说明
启动电源，系统开启散热系统并进入工作状态，系统先自动读出存储器保存的前一次设定数据进行输出。
若用户需要不同的电流值和限压值，可以通过按键进行输入或按键盘上的“+”、“-”键对当前值进行电流加1、减1微调和限压值加10、减10微调。
按下键盘上方的“M”模式转换键即可以在电流值设定与限压值设定之间进行切换，省去用户多次按键的麻烦。
每当输完设定值后用户要按下键盘上的“E”Enter确定为用户所需值。
当用户设定好所需的电流值和限压值后，屏幕上会显示用户所设的值，同时屏幕上还显示此时系统的输出电压值方便用户随时查看。
系统按键说明
0~9
数字输入键
C
数字清除键
M
输入电流值和输入限压值转换键
+
电流值加1或限压值加10微调键
-
电流值减1或限压值减10微调键
E
确定键
表1-1系统按键说明
系统显示屏显示区说明
电流/限压设定：
输入数值显示区
电流值：
输出电流值显示区
单位符
限压值：
限压值显示区
电压值：
输出电压值显示区
表1-2系统显示屏显示区说明
第二章设计方案
本项目要求设计一种电流源，要想实现电流源必须先设计一个稳定的电压源，其次再设计一个恒流源，因此电压源、恒流源是本项目的核心硬件基础。
本项目同时要求电流源可数控，实现数控的常规方法有：
数字逻辑器件构成、可编程器件CPLD/FPGA、单片机等。
具体方案的对比和选择如下。
2.1方案比较
2.1.1整体方案
2.1.1.1方案一
方案一如图2-1所示，采用计数器、EPROM和D/A转换器等数字逻辑器件完成系统的控制[2]。
此方案使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为EPROM的地址输入，而由EPROM的输出经D/A变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。
但由于此方案使用开环控制策略，电路简单，成本低，但是对最后的输出结果不能进行较好的调整和修正，使得输出电流精度不高，且控制数据烧录在EPROM中，使系统设计灵活性降低，自适应能力差。
2.1.1.2方案二
此方案如图2-2所示，主要是以单片机为核心构建控制器，通过键盘对电流值进行预置，单片机输出相应的数字信号，经过D/A转换、信号放大、电平转换、压控恒流源，输出电流信号。
实际输出的电流再利用精密电阻采样变成电压信号，经过高输入阻抗差动放大器、A/D转换，将信号反馈到单片机将输出反馈信号再与预置值比较，送出调整信号，再输出新的电流，这样就形成了闭环调节，锁定输出电流，提高了输出电流的精度和稳定度。
本方案采用单片机进行控制、显示、预置数，使得系统灵活方便，电流输出精度和稳定度较高。
但此方案存在稳定性受限于单片机处理数据的能力。
图2-2方案二
2.1.1.3方案三
此方案如图2-3所示，整体原理框图与方案二大致相同，采用Altera公司的cycloneEP1C6T144C8FPGA芯片构成sopc片上系统，利用NIOSⅡ32位嵌入式软核处理器进行总体控制、算法运算、显示和置数等功能，配合VHDL语言设计数字硬件控制模块进行控制，具有运行速度快，工作稳定可靠的特点[3]。
图2-3方案三
2.1.2恒流源方案
2.1.2.1方案一
采用恒流二极管或者恒流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流范围很小，只能达到十几毫安，不能达到题目的要求[4]。
2.1.2.2方案二
采用四端可调恒流源，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电流达到可调的目的，这种器件能够达到1～2200毫安的输出电流。
改变输出电流，通常有两种方法：
一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法不能满足题目的数控调节要求；
二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，很难调节输出电流。
2.1.2.3方案三
压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。
电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号，再送到大功率三极管进行放大。
当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，使得系统一直在设定值维持电流恒定。
该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作。
2.2最终选用方案
以上三个整体方案各自的特点，经过比较可以看出，方案三是最优方案，但考虑到既要用NIOSⅡ软核又要用数字硬件控制模块，设计工作量大、调试复杂，且quartus5.0、SOPC5.0与IDE开发系统调试速度不是很快，所以最终选择方案二。
此设计在采用整体方案中的方案二的基础上进行改进与恒流源方案的方案三相结合，构成了以单片机为核心构建控制器，通过键盘对电流值进行预置或按键逐步微调，单片机输出相应的数字信号，经过D/A转换、信号放大、压控恒流源，输出电流信号。
实际输出的电压值利用精密电阻进行分压采样后，经过高输入阻抗运算放大器构成的电压跟随器、A/D转换，将信号反馈到单片机将输出反馈信号再与预置限压值比较，构成了实时监控的限压功能。
因为在电流源方案中大功率三极管采用了场效应管，而且采样电阻使用了基本上没有温度漂移的康铜丝作为采样电阻，从而使整个系统工作在最佳状态。
即使不用对输出电流进行采样形成闭环控制回路也可以达到预期的目的。
而且省去了不少硬件开支。
本方案采用单片机进行控制、显示、预置数还有单键模式转换，使得系统灵活方便，电流输出精度和稳定度较高。
第三章硬件系统设计
3.1系统硬件基本组成
系统原理总框图如下：
图3-1系统原理框图
系统主要包括核心控制部分单片机电路[4]、D/A转换电路、电源电路、恒流稳压电路、电压采样电路、A/D转换电路、存储电路、键盘输入电路和报警电路及显示电路。
3.2各模块单元电路设计
3.2.1电源电路
为了使整个设计显得清洁美观，系统所需电源电路集成在同一块板上，因为恒流源部分所需电源要求是稳定的，所以在设计电源时应该注意对其进行足够的滤波和稳压，考虑到本系统所需功率比较大，所以避开普通整流桥堆的功率局限，采用了常用的低频整流管IN5408，该整流管反向电压为1000V，电流为3A。
可是满足本系统的需要。
由于通过整流后的电压还不是很平稳，所以要有一定的滤波电路来平滑电压，这也为最后系统有较小的纹波电流和纹波电压打下坚实的基础。
再者，恒定的电压值也给系统提供了稳定，所以本系统采用了三端稳压管7818的7918即作为恒流源部分的电源供应，也可以作为运放所需的稳定双电源供电。
3.2.2扩流电路
本系统采用了三端稳压对电压进行稳压，但7818最大只能输出1A的电流，对本系统来说并不达到要求，为了保证能得到稳定的电压和足够大的电流，本系统使用了用三端稳压管进行稳压并在三端稳压的基础上进行扩流，扩流采用了大功率三极管[6]。
原理图如下：
IQ
IO
IO7818
IREG
IR
Ic
图3-2扩流电路原理图
3.2.2.1电路的优点.
（1）电路简单,稳定.调试方便（几乎不用调试）.
（2）价格便宜,适合于对成本要求苛刻的产品.
（3）电路中几乎没有产生高频或者低频辐射信号的元件,工作频率低,EMI（电磁干扰）等方面易于控制.
3.2.2.2
电路工作原理
Io=Io7818+Ic.
Io7818=IREG–IQ（IQ为7818的静态工作电流,通常为4-8mA）
IREG=IR+IB=IR+Ic/β（β为P817的电流放大倍数）
IR=VBE/R1（VBE为B817的基极导通电压）
所以Io7818=
IREG–IQ=IR+IB–IQ
=
VBE/R1+Ic/β-IQ
由于IQ很小,可略去,则:
Io7818=VBE/R1+Ic/β
其中R越大,则输出同样的电流的情况下流过7818的电流要小些,反之亦然。
但是R的值不能过大,其条件是:
R<
VBE/（IREG–IB）.
3.2.3恒流电路
恒流电路原理如下图所示：
图3-3恒流电路
恒流电路是整个电路中的主要电路之一，其工作原理是由可数控的D/A转换器给U4运算放大器的12脚同相输入端，由运算放大器的虚短原理可知，13脚反相输入端的电压和12脚同相输入端是一样的，所以电阻R1对地电压即为我们输入的电压值是可控的。
再由I=U/R可知，流经R1的电流即为一恒定的值，由于运算放大器具有高阻抗，所以电流只能由Q1来提供，因为R1两端的电压恒定，运放放大提供给Q1的基极，使其在一定的导通状态下，当负载变化时，虽然反馈也是变化，导致Q1的导通状态在改变，但R1两端电压不会改变，所以流过R1的电流是恒定的，所以系统将可以得到恒定的电流值，并且受到用户输入的电压值所决定，形成数控恒流源[7]。
3.2.4采样电路
采样原理图如下所示：
图3-4采样电路
采样电路即为采样输出电压值，运用一个电压跟随器对输出电压进行采样，因为电压跟随器的输入阻抗很高，基本上没有电流流入，所以不会因为采样而改变输出电压值。
经过跟随器后可用A/D对采样信号进行数字化，但我们知道，系统的的输出功率会随着输出电流和负载的变化而变化，输出电压有可能大于10V，所用A/D（MAX187）无法直接输入这么高的电压，因此必须采取一定的降压措施。
为了方便，这里使用了精密多圈电位器进行分压，采用4：
1进行采样。
即当输出为4V时A/D采到的电压值即为1V，只要在进行显示时再给采样得回数据乘以4就可以得回原来的数据。
这样计算电压输出16V时对A/D都无影响。
但本系统输出是如上图所示的P1，它并不是对地电压，所以在软件编程时须用所测得的电压值减去我们输入的电压值（即为R1两端的电压），经理论和实验证实，此方法可以运用在此系统中。
3.3系统主要芯片介绍
3.3.1AT89S52单片机
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[8]。
主要性能
■与MCS-51单片机产品兼容
■8K字节在系统可编程Flash存储器
■1000次擦写周期
■全静态操作：
0Hz～33Hz
■三级加密程序存储器
■32个可编程I/O口线
■三个16位定时器/计数器
■八个中断源
■全双工UART串行通道
■低功耗空闲和掉电模式
■掉电后中断可唤醒
■看门狗定时器
■双数据指针
■掉电标识符
3.3.2MAX531
MAX531芯片是Maxim公司推出的性能优越、高分辨率D/A转换集成电路.它具有功耗低、转换频率快、内部带基准电压等特点，能完成12位D/A转换,数字输入为串行，采用“反向”R－2R的梯形电阻网络结构。
内置单电源CMOS运算放大器，其最大工作电流仅为260μA，具有很好的电压偏移，增益和线性度。
内部运算放大器根据需要可配置成＋1或＋2的增益，也可作四象限乘法器[9]。
主要技术性能：
●只要调整零点和满度就可确定其线性度
●分辨率：
12位二进制数
●电源电压：
+5V，±
5V
●采用固定的或可变的基准电压
●功耗：
典型值2.6mW
●具有四象限乘法功能
●可直接与CMOS、TTL电路接口
●建立时间：
25μS
●内部有rail-to-rail输出缓冲放大器
3.3.3MAX187
MAX187串行12位模数转换器可以在单5V电源下工作，接受0－5V的模拟输入。
MAX187为逐次逼近式ADC，快速采样/保持（1.5uS），片内时钟，高速3线串行接口[10]。
MAX187转换速度为75Ksps。
通过一个外部时钟从内部读取数据，并可省却外部硬件而与绝大多数的数字信号处理器或微控制器通讯。
接口与SPI，QSPI，和Microwire兼容。
MAX187有内部基准，MAX189则需要一个外部基准。
MAX187和MAX189采用节约空间的8脚DIP和16脚SO封装。
电源消耗为7.5mW，在关断模式下可以减少至10uW。
优异的AC特性和极低的电源消耗，同时及其容易的使用和较小的封装尺寸使得MAX187/189能理想的应用于远程DSP和传感器，或者应用于对电源消耗和空间极为苛刻的地方。
应用范围：
移动式数据处理（PortableDataLogging）
远程数字信号处理（RemoteDigitalSignalProcessing）
隔离数据获取（IsolatedDataAcquisition）
高精度处理控制（High-AccuracyProcessControl）
特性：
◆ 12位精度
◆ ±
1/2LSB完整非线性（IntegralNonlinearity）（MAX187A/MAX189A）
◆ 内部采样/保持电路，75KHz采样速率
◆ 单＋5V电源工作
◆ 低功耗：
关断模式下2uA
◆ 5mA操作电流
◆ 内部4.096V基准（MAX187）
◆ 3线串行接口，SPI，QSPI和Microwire兼容
◆ 小管脚8脚DIP和16脚SO封装。
3.3.4AT24C16
CAT24C16是一个16K位串行CMOSE2PROM内部含有2048个8位字节CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗，AT24C16有一个16字节页写缓冲器该器件通过I2C总线接口进行操作有一个专门的写保护功能[11]。
◎与400KHzI2C总线兼容
◎1.8到6.0伏工作电压范围
◎低功耗CMOS技术
◎写保护功能当WP为高电平时进入写保护状态
◎页写缓冲器
◎自定时擦写周期
◎1,000,000编程/擦除周期
◎可保存数据100年
◎8脚DIPSOIC或TSSOP封装
◎温度范围商业级工业级和汽车级
AT24C16支持I2C总线数据传送协议，I2C总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件作为发送器。
任何从总线接收数据的器件为接收器。
数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。
主器件和从器件都可以作为发送器或接收器。
I2C总线协议
I2C总线协议定义如下：
（1）只有在总线空闲时才允许启动数据传送。
（2）在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，不允许有跳变。
时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号。
I2C总线时序图如下:
图3-5I2C时序总图
起始信号
时钟线保持高电平期间，数据线电平从高到低的跳变作为I2C总线的起始信号。
停止信号
时钟线保持高电平期间，数据线电平从低到高的跳变作为I2C总线的停止信号。
应答信号
I2C总线数据传送时
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