数控直流电流源的设计.docx

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数控直流电流源的设计

测控电路设计

专业：

测控技术与仪器

班级：

08050343X

姓名：

赵飞

学号：

46

数控直流电流源的设计

1设计思路

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。

2方案设计

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。

2.1控制部分方案

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。

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。

.

2.2恒流源模块设计方案

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所示。

图1集成运放构成的恒流源框图

2.3显示模块设计方案

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。

故采用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。

2.4键盘模块设计方案

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。

方便进行扩展。

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。

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2所示。

图2系统组成框图

4单元电路的设计

4.1控制模块电路设计

4.1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3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3最小系统原理图

4.2D/A转换电路设计

根据设计基本要求，电流的输出范围为20mA～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。

电路图如图4所示。

Vo=

（D）12=

（d11211+d10210+...........+d121+d020）（4-1）

例如：

B1T1-B1T12为（111111111111）且Vrey为-5V，则：

V0=

（211+210+29+......+21+20）

5V（4-2）

当B1T1-B1T12为（100000000000）且Very为-5V，则：

V0=

（211+20+20+..........+20+20）

2.5V

图4D/A转换电路

4.3A/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5。

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5A/D转换电路

4.4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6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6恒流源电路原理图

4.5键盘电路设计

在设计中，使用标准的4x4键盘，的可以实现0～9数字输入，键盘对单片机输入数据，键盘为4*4矩阵键盘，用AT89S51的并行口P1接4×4矩阵键盘，以P2.0－2.3作输入线，以P2.4－P2.7作输出线4×4矩阵键盘识别处理每个按键有它的行值和列值行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。

矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。

每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。

键盘处理程序的任务是：

确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。

两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。

其电路图如图7所示。

图7键盘电路原理图

4.6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8。

图8LCD显示电路原理图

4.7稳压电源设计

在本设计中,运放需±18V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9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9电源电路原理图

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：

5模拟电路仿真

5.1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,仿真结果如图10：

图10电流输出范围仿真图（负载0）

5.2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，仿真结果如图11：

图111mA步进电流输出仿真图（负载0）

5.3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10对比），仿真结果如图14：

图12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11对比）仿真结果如图13：

图131mA步进电流输出值仿真图（负载2K）

（三）负载变化的恒流测试

表1仿真结果数据

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

6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，仿真结果如图14所示：

图14仿真电路总图

小结

这次设计基本实现：

（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％+1；

（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；

优点是显示使用LCD。

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。

A/D采用ADS7816构成的转换电路，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，将此反馈信号与预置值比较，根据差值调整输出信号大小。

这样就形成了反馈调节，输出电流的精度高。