电子竞赛数控电流源.docx
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电子竞赛数控电流源
1方案论证
在自动控制和测量系统中,经常需要使用性能良好的可调电源。
电源设备更是电子仪器的一个重要组成部分，通常有直流电压源、电流源、交流电压源、电流源等。
随着信息时代的飞速发展，电源设备也逐渐向数字化方向发展,本次设计题目为数控直流电流源。
1.1任务分析
1.1.1任务
设计并制作数控直流电流源。
输入交流200~240V，50Hz；输出直流电压≤10V。
其原理示意图如下所示。
显示器
控制器
负载
电流源
键盘
电源
1.1.2要求
1、基本要求
（1）输出电流范围：
200mA~2000mA；
（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1%+10mA；
（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；
（4）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1%+10mA；
（5）纹波电流≤2mA；
（6）自制电源。
2、发挥部分
（1）输出电流范围为20mA~2000mA，步进1mA；
（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置（可同时或交替显示电流的给定值和实测值），测量误差的绝对值≤测量值的0.1%+3个字；
（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≤输出电流的0.1%+1mA；
（4）纹波电流≤0.2mA；
（5）其他。
1.2方案比较
一般电子设备在工作时，都需要稳定的直流电压或电流，电网通常是220V、50Hz，电压波动可达±10%，甚至更高，而且可能含有尖端、浪涌或高频干扰。
因此直流稳压电源需要完成以下任务：
AC-DC高效转换、输出电压或电流稳定、抑制电网上的干扰、较小的传导发射及电磁辐射。
从基本原理上讲，可选择线性电源及开关电源两种形式。
（1）线性稳压电源
并联型线性稳压电源：
利用并联稳压二极管的方法吸收额外的电流，要求输入电源具有较高内阻，只适用于负载电流较小的场合，电路简单，但效率较低。
串联型线性稳压电源：
在输入电源及负载之间串联电压调整管，正由于在输入电源及负载之间串联电压调整管，将（Vin-Vout）转换为调整管上的发热，而调整管必须工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低（一般只有45%左右）；另外，由于调整上消耗较大的功率，所以需要采用大功率的调整管及体积很大的散热器。
（2）开关电源
开关电源的原理是以脉冲形式将输入直流电源的能量储存到电感或电容中，再用整流滤波方法将电感或电容两端的电压转换为直流电压，由于调压器件工作于开关方式，因此效率极高（一般90%），所以电源功耗很小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性，且体积很小。
但开关电源的缺点是由于调压器件工作于开关方式，因此dV、dI都很大，容易产生较强的传导发射及辐射发射，另外由于高低电位段具有不同的对地阻抗，而且地线网络对高频有较大阻抗，使两条线对大地形成不同的阻抗，即对高频差模电压产生不同的相移，则这种差模电压会转化为共模电压，从而产生干扰，共模干扰一旦产生，就很难滤除。
综上所述，线性电源的优点是电路简单、输出纹波小、不产生辐射干扰，缺点是效率低、体积较大、输入电压范围较窄；开关电源的优点是效率高、小巧、输入电压范围很宽，缺点是输出纹波大，容易产生电磁干扰和共模干扰。
1.3总体设计方案的确定
根据题目要求，设计的关键在于负载变化时恒流输出以及输出纹波小。
比较上述两种电源，设计原理决定采用串联型线性稳压电源。
针对线性电源的不足，电路器件使用MOS管，以其在极小的压差（100mV）下工作，来减小损耗，提高效率。
同时设计为数控电源，在控制方案上采用电压、电流双闭环控制，硬件电路实现PI运算，来稳定输出电流，使系统的静态误差满足要求。
并协调选择CPU、D/A、A/D等主要部件，使设计达到要求。
电源系统的总体框图如图1-1所示。
图1-1电源系统的总体框图
应当指出，目前虽然开关电源发展很快，但很多对高频干扰比较敏感的电器设备，如音响、逆变器、UPS等，从性能价格比上考虑，仍然使用的是线性电源。
2系统硬件设计
随着集成D/A转换器价格的降低，目前已广泛采用D/A转换器构成的程控电压源和电流源来驱动感性负载（如控制偏转线圈等所需的电流）。
性价比可以满足要求。
D/A转换器是单片机的重要接口之一，只有通过D/A转换器把经过单片机处理的数字信号转换成模拟信号才能实现对各类模拟量的控制、调节和显示。
依据前述的方案论证，电源的硬件设计采用16位分辨率的数模转换芯片AD5662结合单片机系统实现数控直流电流源的方案。
该方法同时可设定、显示电流值。
2.1电源部分的设计
来自电网的电压经过变压器，得到15V的副边电压，再经过整流、滤波输出直流电压，其中滤波电容的选择依据是：
副边电压平均值为1.2×15=18V,电源的最大输出电流为2.5A，则输出等效负载为：
18/2.5=7.2，根据全波整流滤波原理，滤波电容C的取值应满足
（2.1）
可以计算电容C的取值范围为4200~7200
。
为进一步减小纹波，实际选取容值为4只4700uF/25V电解电容。
2.2电流变换
2.2.1D/A转换部分
1、AD5662的结构特点
AD5662是美国模拟器件公司（AnalogDevices.Inc,简称ADI）设计生产的精密16位单片数字/模拟变换器,它采用先进薄膜工艺制造而成。
具有以下特性：
低成本、低功耗、高精确度，最低精确度为12位。
工作电源为2.7V-5.5V，当工作电压为3V、5V时，功耗为0.35mW、0.7mW，可由电池供电。
当处于掉电模式工作时，功耗分别为150nW和1000nW。
AD5662的8个引脚定义如下：
VDD：
+5V电源输入端；
VREF：
参考电压输入端；
VFB ：
反馈电压输入端；
VOUT：
电压输出端；
DACS：
片选控制端；
SCLK：
时钟端；
DIN：
数字输入端；
GND：
模拟地。
2、AD5662的转换原理
AD5662的输出电压为：
其中：
为D/A转换器的基准电压，为2.5V。
为数字编码。
如图2.3所示，设计的数控电流源输出为：
其中：
为采样电阻。
由此可见，
与数字编码
成正比。
这样，通过编程改变数字编码
即可实现对
的数字控制。
AD5662的最大输出为2.5V，此时，可通过改变电阻
调整电流源满量程输出为2.5A，输出零点在系统校准时进行调整。
2.2.2V/I变换部分
1、采样电阻的选择
（1）采样电阻的阻值根据V/I变换给定值与A/D转换的输入范围决定。
若阻值小，则功耗低，发热量小，但输出采样电压低，信噪比降低，需经AD620进行放大后，与A/D转换器CS5513的输入范围
2V相匹配。
所以折中考虑选用热稳定性较好的75mV/5A的标准采样电阻。
（2）功耗计算：
采样电阻的额定值75mV/5A，则阻值为75mV÷5A=0.015
。
本次设计最大输出电流为2.5A，则采样电阻上的压降为2.5A×0.015
=37.5mV,则在最大电流下的功耗为P=IU=2.5×37.5=93.75mW。
2、电流调整原理及调整管的选择
电流调整电路如图2-2所示。
图中Q1、R1、R3、R4和运放等组成电流调整电路，控制电压（D/AOUT）加在运放正输入端，R3、R4并联组成采样电阻，可调电阻R3用于微调采样电阻，采样电阻将输出电流转换为电压，采样电阻采用75mV/5A的分流器。
采样电压加在运放负输入端，同时送往单片机测量（A/DIN1）。
电流输出端为图中I-OUT1、I-OUT2两端点，R8为限流电阻。
当需要调高输出电流时，D/AOUT电压增加，运放输出电压升高，Q1导通程度增加，导致输出电流增加。
当需要调低输出电流时，D/AOUT电压减小，运放输出电压降低，Q1导通程度减小，导致输出电流减小。
图2-2电流调整电路
其中，MOS管的功耗计算为：
15V的副边电压，再经过整流、滤波输出直流电压为1.2×15=18V，设计电源输出电流最大为2.5A，MOS管的理论功耗为2.5×18=45W。
实际选取时，考虑一定的裕量，MOS管功耗应大于1.5×45=67.5W，故选用IRF520，其性能指标为：
其中滤波电容的选择依据是：
电路采用了电流反馈，正常情况下，MOS管不过流，但为了保护电源，既使输出电流大于4A时，电源依然可以不损坏，增加一个保险电阻，输出电流大于2.5A时，关断，电流减小时，自动恢复。
开路和过载保护：
解决开路和过载保护的方法是测量输出电压（图中I-OUT1、I-OUT2两端点间电压），由于这两点电压比较高，因此需分压后送A/D测量，分压电阻尽量取大，以减小对输出电流影响），当超过额定值时认为是开路或过载。
例如在开路状态时，输出端两点电压会很高，能够检测出来；当出现过载，即负载电阻很大，输出电流也很大时，输出端两点电压也会很高，也能够检测出来，这时系统会将输出电流降低到0mA，同时产生报警信号，从而实现了开路和过载保护功能。
2.3A/D采样部分的设计
2.3.1CS5513结构性能
CS5513是一种低成本、易于使用、可用于直流测量的20位的模数转换器。
其封装为8脚SOIC，内部包括一个4阶ΔΣ调制器和一个滤波器，小体积，可以节省设计的空间。
低成本，低功耗，易于使用。
CS5513的8个引脚定义如下：
VCC：
+5V电源输入端；
VREF：
参考电压输入端；
DOUT：
数字输出端；
ADCS：
片选控制端；
SCLK：
时钟端；
AIN+、AIN-：
模拟输入端；
GND：
模拟地。
CS5513的主要性能指标如下：
（1）线性误差：
0.0015%FS，无噪声分辨率：
17位。
（2）差分模拟输入（双极性）。
（3）参考电压范围：
250mV～5V。
（4）53.5Hz到163Hz输出字速率
（5）片上振荡器，无需再外加时钟源。
。
（6）电源配置：
V+=5V，V-=0V或多种双电源配置。
（7）低功耗：
正常模式为2.5mW，休眠模式为10u
W。
根据这些优点，本次设计选用CS5513ADC对V/I变换输出的电流信号进行采样。
2.3.1CS5513接口设计
CS5513的模拟输入为：
CS5513的差分输入范围大约是差分参考电压（VREF-V-）的±（0.78±0.05）倍。
当VREF和V-之间的参考电压为2.5V时，其完全差分为±1.95V。
采样电阻上的输出压降为37.5mV,与CS5513的允许输入1.95V相比，需放大1950÷37.5=52倍。
采用AD620进行放大。
AD620是一种高性能的仪用放大器其对称性结构可同时满足对放大器的抗共模干扰能力、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。
通过调整
实现52倍的放大。
2.4主控单元电路的设计
主控单元电路由单片机、硬件监控电路、LCD显示和键盘构成。
2.4.1单片机
该系统的核心部分是89C58单片机。
它的片内带有32kB的flash存储器，其I/O接口资源分配如下：
P0口接LCD显示器。
P1口接4×4位的矩阵键盘。
P2口可根据需要连接。
如图#######2-1所示，89C58单片机与AD5662接口连接中，89C58的输出由P2.1直接连到了DIN端，AD5662的DACS片选控制端则与P2.5相连。
CS5513与单片机之间采用串行接口，DOUT端与P2.0相连，ADCS片选控制端与P2.3相连。
P2.2接AD5662和CS5513的SCLK端。
2.4.2硬件监控电路
硬件监控电路X5045内置512字节的E2PROM，用来存储系统校准A/D、D/A通道时的校准系数以及键盘设置的步进长度、滤波参数等，具有掉电保护功能。
该系统在工作过程中，由于干扰等因素的影响，CPU处于未知状态，比如一旦有可能出现死机、程序“跑飞”、进入死循环，或电源电流降到系统设定位置时就需要将系统复位，因此，为了使系统可靠工作并保存设定数据，利用X5045来完成复位、看门狗及电源监控。
2.4.3LCD显示
采用8位并行的接口方式，具有内置汉字库的显示摸块LCM12832ZK，可显示两行，每行8个汉字，汉字、字符显示多。
LCD显示信息容量大、界面友好、直观，方便设定值的输入、测量值显示以及菜单显示和参数设置。
2.4.4键盘
采用4×4矩阵键盘，线扫描接口方式，有0～9十个数字键、小数点和五个功能键。
功能键的定义如下：
A键、mA/ESC键：
显示和设定单位的转换，可由A、mA/ESC键更改。
输入设定值后，按A键、mA/ESC键，直接得到所需的A和mA值，方便输入。
按ESC键为取消，用于退出菜单或取消已键入的数据。
Menu/Set键：
为菜单／设置键。
按此键可进入菜单界面。
设置时用来输入电流设定值，设定的单位由当前的单位设定决定。
UP键、Down键：
在非菜单状态下，作为对当前设定值的增、减控制。
增、减步长由菜单中的步长项设置决定。
在菜单状态下，控制菜单中项的选择或对某一参数值的增、减。
片外系统数字校准：
CS5510/11/12/13片上没有用于偏置和增益的校准，需要用外部微控制器来实现，任何偏置和增益都可以用微控制器中的编码来修正，例如：
执行一个系统偏置校准，来确定是系统的“零点”与输入到系统信号的零点相同然后用户可以获得一个转换，并将其存到存储器中，比如系统的零点（ZP）。
这个数值可以用于以后的转换字的零点校准。
对于20位的转换器（CS5512和CS5513），多次转换的平均值可以使偏置量更准确。
对于16位的转换器（CS5510和CS5511），取平均值可能没有意义，因为当用的标称电压为VREF（2.5V）时，噪声将低于一个LSB的大小。
系统增益校准可以使系统知道校准电压值（Vcal）。
并且获得依次转换（注意，Vcal应该低到足够补偿ADC可能出现的）
3系统软件设计
1.数控直流电流源软件功能分析
要完成题目所给任务，软件功能应包括以下几个功能模块：
1.A/D选择模块：
完成电流采样值的选取
2.键盘处理模块：
完成键盘扫描和键值转换
3.菜单处理模块：
人机界面交互操作
4.LCD人机显示模块：
主要在中断中完成数据及菜单显示
5.校准摸块：
完成系统校准和系数计算
6.运算模块：
对测量原始值和测量值运算。
输出相应的工程量或代码
7.掉电数据存储模块：
实现数据参数的掉电保存和上电恢复
各模块之间通过动态数据，静态数据以及运行状态，相互联结形成以数据驱动方式运行的整体。
各模块连接关系及数据流向如图x-x所示。
由于设计中需要进行复杂的浮点数据计算和转换，lcd的数据显示也是较为繁琐，所以决定使用C51语言完成整体程序设计。
Keil公司的uVision3IDE开发环境具有非常强大的编译、调试功能，在该环境下采用模块化编程，可实现良好的人机界面处理和复杂的数据运算，也便于以后代码的维护和完善。
由于没有外扩数据存储器，仅有P89C58内置的256字节的存储器，所用设计中应使用小模式编译，尽量避免大的数组和结构变量的使用，尽量多的使用局部变量和采用数据段覆盖技术，以减小内存的开销。
图x-x软件功能模块及数据流向
2.主要模块的分析与设计
2.1菜单处理模块
为了能实现系统的灵活操作，精度的提高，程序中设计的各种菜单项，以完成不同情况下，使系统处于最佳状态，菜单模块中包含以下各项：
1.A/D重点调整
2.A/D满程调整
3.D/A零点调整
4.D/A满程调整
5.设定步长
6.滤波系数
7.键盘音
8.退出
AD零点和满程调整：
主要调用电流校注模块完成AD通道的系统零点和通道系统K的计算，模块的输出参数将存入E2PROM中保存。
DA的零点和满程调整：
完成DA通道的零点和通道系数K的标定。
设定步长：
菜单中设定的步长是可任意设定的，初始步长为0.1mA/步。
在设定状态下的电流增减设置将使用该值。
滤波系数：
是为AD通道滤波设值，滤波方式采用一阶滞后方式：
（式）
其中KA是滤波系数，其值在（1~20）中可选。
菜单相关代码请参阅附录（X）。
2.2系统标准模块
系统设计中，硬件通道总是存在非零输出和满程增益误差。
要消除该误差，可使用硬件零点调整和满程调整，也可以使用软件来消除该误差。
本设计就是使用软件系统校准的方式来完成的，该方式具有灵活，方便的特点。
校准模块包含AD通道的校准和DA通道的校准两部分。
2.2.1AD校准原理
AD通道主要用于测量输出的电流值。
在系统输出电流为0A时，系统保存下当前AD采样值，作为AD系统零点Y0；在输入信道加入满量程信号，本设计为2.5A，记下此时的AD采样值YFS，则可按下列公式计算通道系数K。
（式）
：
工程量上限,此设计中为2.5A
：
工程量下限,此设计中为0A
：
系统校准时满量程AD采样值
：
系统校准时零点AD值
通道校准系数K和Y0作为系统静态参数存储于E2PROM中，在计算工程量时，将同实时采样值一起使用公式x-x计算出当前电流值。
（式）
式中
：
工程量下限值
：
实时AD采样值
：
系统AD零点值
K：
通道校准系数
2.2.2DA较准原理
由于DA输出在0V附近有非线性，V/I变换电路也具有死区，所以如果不对DA通道进行零点和满程校准，其输出值将会产生很大误差。
DA的校准和AD的校准原理基本相同，只是人工校准稍微复杂些。
使用菜单中的DA零点校准，可输入0~65535中的任意值，直到输出刚刚显示电流读数。
按确认键，系统记下此时的DA零点值Y0。
使用DA满程调整菜单项，输入DA代码（0~65535）使电路输出电流表显示为2.5A。
按确认键，记下此时DA代码YFS。
此时系统将根据两个数值计算DA通道校准系数，校准公式如：
（式）
式中：
：
电流输出最大值，此设计中为2.5A
：
电流输出最小值，此设计中为0A
：
电流输出为EH时的DA输出值
：
电流输出为EL时的DA输出值
在系统调用运算模块时，程序将输入的电流设定值代入式x-x中就可以计算出对应电流设定值所需的DA代码值。
（式）
式中
：
键盘输入的电流值
：
电流输出EL时的DA代码值
K：
DA校准系数
：
电流输出下限值
掉电参数存储模块
为了使仪表在校准过程中生成的参数和设定的参数，在下次上电时仍然保持，设计中使用了E2PROM作为参数的存储器。
该存储器具有512byte的存储空间，SP2串行操作，具有很高的可靠性。
程序中对所有需要保存的参数写成一个结构体，并对参数的正确性进行校验，尽可能恢复最近一次的参数。
参数结构及程序设计如下：
typedefstruct{
floatad_zero;ad系统零点
floatad_euk;ad工程系数
uintda_zero;Da系统零点
floatda_euk;da工程量系数
floatda_step;da步进长度
ucharfilter_times;AD滤波系数
unitcheck_sum;检验和
}paramInFlash;
下面是参数写入代码部分：
charwr_param（void）
{uchari,j;
i=byte_read（PTIA）;
if（i>SAVE_MAX-1）i=0;//如果索引值大于9，说明参数出错或第一次写入
PIF.check_sum=0;
for（j=0;jPIF.check_sum+=*（ptr+j）;
}
if（++i>SAVE_MAX-1）i=0;
for（j=0;jbyte_write（*（ptr+j）,PTIA+1+i*sizeof（PIF）+j）;
}
byte_write（i,PTIA）;//写入索引值
return0;
}
程序中对每次的数据修改都做一次保存，保存操作以循环队列的方式进行，队列长度为10，这样即使最后一次保存出错也能恢复以前的参数，同时也消除E2PROM写入次数的限制。
数控直流电流源系统软件的设计可采用模块结构。
设计时,可以通过对总体的分析来首先定义各模块的设计要求和界面,并对公用变量的定义进行统一管理,而且还应把多处使用程序段尽量设计成子程序。
内存为256byte，计算机的存储容量为，考虑时估算程序的大小和内存使用的大小，决定采用C语言和汇编语言混合编程,否则内存不够，程序运行时会带来很大的麻烦。
3.1模块编程及数据流向
系统的模块编程及数据流向如图3-1所示。
图3-1模块编程及数据流向图
在的KeilC编程环境中，使用C51语言采用模块化编程。
AD采样数据送动态数据及状态模块，经运算模块驱动AD5662，形成自恒流控制的反馈模拟量。
菜单处理模块与静态数据、通道参数及整定系数模块交互作用，通过键盘接收模块实现设定值输入等人机对话功能，并通过LCD显示模块显示输出电流值。
3.2系统校准原理
电源系统的校准原理为：
（公式3-1）
式中：
Y0：
系统（AD）零点；
X0：
工程量零点；
Yx：
当前AD采样值；
：
工程系数，
=
；
其中，
：
系统校准时满量程AD采样值；
：
工程量最大值。
3.3主程序设计
主程序流程如图3-2所示。
图3-2主程序流程图
先初始化，对各种单元和标志清零，设置通信波特率等，然后扫描键盘，看有无键按下，若有键还要判断是增加还是减小电流值，接下来将电流值处理后送D/A，由D/A输出到电流调整电路，产生要求输出的电流。
接下来判断输出端有无开路或过载（根据前面介绍的方法），若有则置位开路标志，同时将输出电压降到0V，最后显示输出电流值，完成一个循环过程。
4实验测试
4.1测试方法和仪器
测试所用的仪器、仪表如表4-1所示。
表4-1测试用仪器仪表软件清单
序号
仪表名称
型号
生产厂家
1
计算机
SL-GJ556D
联想集团
2
数字万用表
SI7151
上海电表厂
3
滑线变阻器3A100Ω
滑14型
上海艾镇五金厂
4
示波器
YB4360
江苏扬中电子仪器厂
5
稳压电源
YB1718
江苏扬中绿扬电子厂
4.2测试数据及测试结果分析
从键盘设定电流值，用数字万用表测量电流源输出值。
实际测试数据如表4-2所示。
表4-2测试结果
计算误差以万用表作为标准，公式为：
相对误差=
%。
根据实测的结果可以看出，题目要求输出电流变化的绝对值≤输出电流的0.1%+1mA，即输出电流变化的绝对值在1.02~3mA之间。
从测试数据可以看出该电源的技术指标达到了设计要求
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