数控直流电流源线性恒流源.docx

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数控直流电流源线性恒流源

数控直流电流源

摘要:

本文设计了一种数控直流电流源的方案，给出了硬件组成和软件流程及源程序。

以STC89C52单片机为核心控制电路，利用12位D/A模块产生稳定的控制电压，12位A/D模块完成电流测量。

输出电流范围为20~2000mA，具有“+”“-”步进调整功能，步进为1mA，纹波电流小，LCD同时显示预置电流值和实测电流值，便于操作和进行误差分析。

关键词：

STC89C52数控电流源

NumericalControlDCCurrentSource

Abstract:

ThispaperintroducesadesignschemeofnumericalcontrolDCcurrentsource,andgivesthehardwarecompositionandsoftwareflowaswellasthesourceprogram.UseSTC89C52MCUasthecorecontrolcircuit.12D/AmodulegeneratesAsteadythecontrolvoltageand12A/Dmodulecompletescurrentmeasurements.Thecurrent-outputranges20to2000mA,with"+"and"-"steppingfor1mAadjustmentfunctionandsmallripplecurrent.LCDcouldshowpresetscurrentvalueandthemeasuredresultatthesametime,foreasyoperationanderroranalysis.

Keywords:

STC89C52NumericalcontrolCurrentsource

1设计方案的选择

1.1电路综合设计流程

图1.1.1数控电流源电路设计流程图

1.2总体设计方案

经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：

电源模块，控制模块（包括AD、DA转换）恒流源模块，键盘模块，显示模块。

以下就各电路模块给出设计方案。

1.2.1控制部分方案

方案一：

采用FPGA作为系统的控制模块。

FPGA可以实现复杂的逻辑功能，规模大，稳定性强，易于调试和进行功能扩展。

FPGA采用并行输入输出方式，处理速度高，适合作为大规模实时系统的核心。

但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引脚较多，加大了硬件设计和实物制作的难度。

方案二：

采用单片机作为控制模块核心。

单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

基于以上分析，选择方案二,利用STC89C52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。

输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。

在器件的选取中，D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片TLV5618，直接输出电压值，且其输出电压能达到参考电压的两倍，A/D转换器选用高精度12数转换芯片ADS7816。

.

1.2.2恒流源模块设计方案

方案一：

由三端可调式集成稳压器构成的恒流源。

其典型恒流源电路图如图1.2.1所示。

一旦稳压器选定，则U0是定值。

若R固定不变，则I0不变，因此可获得恒流输出。

若改变R值，可使输出I0改变。

因此将R设为数控电位器，则输出电流可以以某个步长进行改变。

此电路结构简单，调试方便，价格便宜，但是精密的大功率数控电位器难购买。

图1.2.1三端集成稳压器构成的恒流源框图

方案二：

由数控稳压器构成的恒流源

方案一是在U0不变的情况下，通过改变R的数值获得输出电流的变化。

如果固定R不变，若能改变U0的数值，同样也可以构成恒流源，也就是说将上图中的三端可调式集成稳压源改为数控电压源，其工作原理和上图类似。

此方案原理清楚，若赛前培训过数控电压源的设计的话，知识、器件有储备，方案容易实现。

但是，由1.2.2图可知，数控稳压源的地是浮地，与系统不共地线，对于系统而言，地线不便处理。

图1.2.2数控电压源构成的恒流源框图

方案三：

采用集成运放的线性恒流源

该恒流源输出的电流与负载无关,通过使用两块构成比较放大环节，功率管构成调整环节，利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和高输出阻抗，实现了电压—电流转换。

其原理框图如图1.2.3所示。

图1.2.3集成运放构成的恒流源框图

综合考虑，采用方案三，使用低噪音、高速宽带运放OP27BJ和达林顿管TIP122构成一个恒流源电路。

1.2.3显示模块设计方案

方案一：

使用LED数码管显示。

数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。

但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。

方案二：

使用LCD显示。

LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。

综上所述，选择方案二。

采用12864汉字图形点阵液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。

1.2.4键盘模块设计方案

方案一：

采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。

缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多。

方案二：

采用标准4X4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。

题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。

综合考虑两种方案及题目要求，采用方案二，方便进行扩展。

1.2.5电压源模块设计方案

系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A使用+5V稳压电源，运放需要±18V稳压电源，同时题目要求最高输出电流为2000mA，电源需为系统提供足够大的稳定电流。

综上所述，采用三端稳压集成7805、78H15、79H15分别得+5V和±12V的稳定电压，78H、79H系列稳压器输出电流可以达到5A，能为系统提供足够大的稳定电流。

利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。

1.3系统组成

经过方案比较与论证，最终确定系统的组成框图如图1.3.1所示。

图1.3.1系统组成框图

2单元电路的设计

2.1控制模块电路设计

2.1.1最小系统电路设计

通过键盘模块输入给定的电流值或是步进调整信号传送给单片机，单片机在接受到信号后进行处理运算，并显示其给定的电流值，然后经D/A转换以输出电压，驱动恒流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电压经过A/D转换输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出，并驱动显示器显示当前的电流值。

最小系统的核心为STC89C52，为了方便单片机引脚的使用，我们将单片机的引脚用接口引出，电路如图2.1.1所示：

P0口和P3.0～P3.3是LCD接口；P1口作为A/D与D/A转换接口；P2口为键盘接口。

图2.1.1最小系统原理图

2.1.2D/A转换电路设计

根据设计基本要求，电流的输出范围为200mA～2000mA，将最高输出电流2000mA进行十进制～二进制转换有

要满足步进为1mA的要求，需选用十二位的D/A转换器，TLV5618是较好的选择。

TLV5618是带有缓冲基准输入（高阻抗）的双路12位电压输出DAC。

DAC输出电压范围可编程为基准电压的两倍，其输出电压Vout=2×Vref×D/4096有两个输出端口A和B，且它们可以同步刷新。

此外，该器件还包含上电复位功能。

通过3线串行总线可对TLV5618实现控制，可采用单5V电源进行供电。

在快速、慢速模式下功耗分别为8mW和3mW，输入数据的刷新率可达1.21MHz。

图2.1.2DA转换电路

2.1.3A/D转换电路设计

A/D转换采用BB公司的ADS7816构成的转换电路，如图2.1.3。

ADS7816是12位串行模/数转换器，采样频率高达200kHz，转换所需时间短，转换精度高。

ADS7816转换器将采样电阻上的电压转换成数字信号反馈给单片机，单片机将此反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。

这样就形成了反馈调节，提高输出电流的精度。

同时，A/D采样回来的电流经过单片机处理传送到LCD，可以显示当前的实际电流值。

图2.1.3AD转换电路

2.2恒流源电路设计

恒流源电路的设计是本系统设计的核心，它采用电压来控制电流的变化。

为了能产生恒定的电流，我们采用电压闭环反馈控制。

恒流源电路原理图如图2.2.1所示，该电路主要由运算放大器、大功率达林顿管、采样电阻RS、负载RL等组成。

取样电阻RS从输出端进行取样，再与基准电压比较，并将误差电压放大后反馈到调整管，使输出电压在电网电压变动的情况下仍能保持稳定。

电路中调整管采用大功率达林顿管TIP122，既能满足输出电流最大达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。

RS选用热稳定性好的康铜丝，并选取较大值（2Ω），使得在电流较低时也能获得较大的电压值。

运算放大器采用高精度的OP27BJ作为电压跟随器。

DAOUT即为输入电压Ui,当Ui一定时，运算放大器的Ui=US,I0=IL=IS=Ui/RS,即I0不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。

由此得到恒流源输出电流的大小为：

I0=Ui/RS

图2.2.1恒流源电路原理图

2.3键盘电路设计

在设计中，使用标准的4x4键盘，可以实现0～9数字输入，“+”、“-”步进设置。

其电路图如图2.3.1所示。

图2.3.1键盘电路原理图

2.4显示电路设计

本设计采用12864型汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（12X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

可显示内容为192列×64行，还带多种软件功能：

光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。

12864采用8位并行接法，与单片机P3和P4口相连，用于显示设定值与当前测量值。

其接口如图2.4.1所示。

图2.4.1LCD显示电路原理图

2.5稳压电源设计

在本设计中,运放需±15V供电，单片机需、A/D、D/A需+5V供电，采用三端稳压器7805、78H15、79H15构成一稳压电源，题目要求输出电流范围是200mA～2000mA，而78H、79H系列稳压器输出电流最大可以达到5A，能为系统提供足够大的稳定电流。

稳压电路如图2.5.1所示：

考虑系统对功率要求较高，所以在设计中选取了输出功率50W的变压器，输入电压由变压器和全波整流滤波电路产生。

图2.5.1电源电路原理图

3软件设计

软件设计采用C语言,对STC89C52进行编程实现各种功能。

软件设计的关键是对A/D、D/A转换器的控制。

软件实现的功能是：

1控制键盘工作，确定电流步进调整；

2控制A/D、D/A工作，设置给定电流，测量输出电流；

对反馈回单片机的电流值进行补偿处理；

驱动液晶显示器显示电流设置值与测量值。

图3.1主程序流程图

4电路仿真

恒流源模块部分为纯模拟电路，用Multisim软件进行电路仿真，其中R3为负载电阻。

整机电路用Proteus软件进行仿真。

仿真结果如下所示：

4.1模拟电路仿真

4.1.1电流输出范围仿真

输入电压值从最小（40mV）到最大（4V）变化，负载为0时电流输出范围：

图4.1.1电流输出范围仿真图（负载0）

4.1.2步进调整仿真

输入电压值从最小（40mV）到最大（4V）变化，电压每步进2mV时，电流步进1mA。

图4.1.21mA步进电流输出仿真图（负载0）

4.1.3负载特性仿真

（一）负载变化时，电流输出范围测试

输入电压值从最小（40mV）到最大（4V）变化，负载为0时电流输出范围

（与图4.1.1对比）：

图4.1.3电流输出范围仿真图（负载2K）

（二）负载变化时，输出电流步进调整测试

输入电压值从最小（40mV）到最大（4V）变化，电压每步进2mV时，电流步进1mA。

（与图4.1.2对比）：

图4.1.41mA步进电流输出值仿真图（负载2K）

（三）负载变化的恒流测试（仿真图略）

R（Ω）

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

I（mA）

（U=40mV）

20.003

20.003

20.002

20.002

19.998

19.998

19.998

19.995

19.995

I（A）

（U=4V）

2

2

2

2

2

2

1.999

1.999

1.999

注：

此次仿真中取负载变化范围值为0~2K，实际负载范围可以更广。

4.4整机电路仿真

Proteus软件元件库中元件有限，设计电路中的好多元件几乎都没有。

仿真时用ATC89C52代替STC89C52，用1602（不能显示汉字）代替12864（Proteus中的12864没有字库），用TLC5615代替TLV5618，用TLC549代替ADS7816，仿真结果如下所示：

4.5仿真结论

从前四节的仿真图对比可以看出：

（1）输出电流范围为20mA～2000mA，步进1mA；

（2）可同时显示电流预设值和测量值，测量电流误差的绝对值

≤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，电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1％+1mA；

（4）纹波电流≤0.2mA；

综上所述，本设计方案完全满足任务要求。

5心得体会

在本次设计的过程中，遇到了许多困难和意料之外的事情，设计进度比较慢。

首先是控制部分方案问题，一刚开始设计的是采用MSP430F169为核心的单片机来做，因为其内自带12位A/D、D/A，这样就省去了在外围电路设计A/D、D/A模块了。

可是到了仿真这一步的时候才发现，Proteus里面没有这款芯片，也没有与之类似的。

所以权衡考虑后还是改了方案，决定用51单片机来做，这样可以实现仿真。

但个人还是比较倾向于用430来做。

硬件电路设计完之后，就是软件加仿真了。

进行模拟电路仿真部分时，一刚开始发现恒流源的仿真结果与实际设计结果相差很大，以为该模块方案设计有问题，就又换了好几种方案，结果以仿真，结果误差还是很大。

后来经过多方调试，才发现是我自己的Multisim有问题，于是又重新安装了仿真软件，用刚开始设计的方案进行仿真，仿真结果与实际设计相符合。

单片机部分在Proteus里面仿真的，当程序都好不容易写好后，导进去液晶上显示的都是乱码，检查之后发现是该软件里的12864没有字库，所以不能像预期那样显示。

后来就又重新写程序，改用1602进行仿真，结果与预期相符。

还有设计中碰到的各种小问题就不在这里一一详说了，虽然设计中出现了各种Bug，各种纠结，但通过仔细的分析和进行多方面的调整后解决了问题。

从中我体会了共同协作和团队精神的重要性，也提高了自身的综合能力，在此对在本次设计中给过我帮助的同学表示衷心的感谢。

参考文献

【1】华成英、童诗白主编.模拟电子技术基础.第四版.北京：

高等教育出版社,2006

【2】康光华主编.电子技术基础数字部分.第五版.北京：

高等教育出版社,2008

【3】那文鹏、王昊主编.通用集成电路的选择与使用.北京:

人民邮电出版社,2004

【4】郭天祥编著.51单片机C语言教程..北京：

电子工业出版社,2009

【5】高吉祥主编.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计

北京：

电子工业出版社,2010