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电子设计一等奖论文
数控直流电流源（F题）
作者：
于建水梁海运李春蕾（学校：
山东大学）
赛前辅导教师：
陈言俊秦峰王延伟仪维
文稿整理辅导教师：
陈言俊
摘要
本系统是凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心，集成运算放大器构成的具有深度负反馈的数字可控直流电流源。
系统由单片机控制，具有键盘设定、步进，液晶显示设定值和测量值，语音提示等功能，实现了10mA－2500mA任意设定电流，多步长步进，最小步长1mA。
关键词：
SPCE061A单片机，数控，直流电流源，负反馈
Abstract：
Thissystemofdigitalcontroldirectcurrentsource,includingintegratedoperationalamplifierwithdeepnegativefeedback,isbasedonsunplus16bitssinglechip--SPCE061singlechip.Thekeyboardpresetting,step,displayingthegivenvalueandactualmeasuringvaluewithLCD,voiceremindingmakeoursystem’functions.Theoutputvalueofcurrentcanbesetatanylevelinloadscopefrom10mAto2500mA.Andtheleastsettingstepvaluecanbe1mA.
Keywords:
SPCE061singlechip,digitalcontrol,directcurrentsource，negativefeedback
1.系统设计
1.1方案比较与论证
根据题目的要求，系统可划分为控制模块、DA转换模块、电流源模块、电源模块、显示模块、键盘模块、测量模块，另外增加了语音模块。
系统框图如下：
图1系统框图
为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。
1.1.1控制器模块
方案1：
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，体积小，稳定性高，IO资源丰富，易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
但本系统不需复杂的逻辑功能，对数据处理的速度要求也不高。
因此我们放弃了这个方案。
方案2：
采用单片机作为控制器。
我们选择了凌阳公司的SPCE061A，它是16位微处理器，具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点，内嵌32k字闪存FLASH，处理速度高，尤其适用于数字语音播报和识别等应用领域。
1.1.2电流源模块
方案1：
晶体管恒流源。
这类恒流源以晶体三极管为主要组成器件,利用晶体三极管集电极电压变化对电流影响小,并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流之恒定性。
通常,还采用一定的温度补偿和稳压措施。
晶体管恒流源虽然能得到恒定的电流，但是得到的电流较小，根本达不到2000mA的要求，而且不容易程控和步进。
方案2：
采用集成稳压器构成的开关恒流源电路。
开关恒流源电路虽然能实现题目的基本要求，但还存在两个主要问题：
对电流的程控步进通过改变滑阻来实现，只能采用数字电位器，数字电位器不仅价格昂贵，而且本题基本要求步进10mA，发挥部分要求1mA，用数字电位器达不到如此高的精度；输出电流中存在7805的静态电流，当输出电流比较大是影响很小，但输出电流到底限20mA时，10mA的静态电流已经太大了。
方案3：
集成运放反馈型恒流源。
集成运算放大器是一种高增益的直流放大器，一般工作在闭环状态，只要外接少数几个电阻，就可以构成具有深度负反馈的放大器，因而可用作恒流源。
通过负反馈作用,便加到比较放大器两个输入端的电压相等,从而保持输出电流的恒定。
图2集成运放构成的恒流源电路
在反馈型恒流源电路中，用集成运放做比较器，其各项性能指标都得到显著改善。
以上几种恒流源结构简单,可靠性高,调整方便,在科研中已得到了应用。
但是经过综合比较，方案3更能达到题目要求。
1.1.3电压转换模块
要程控电流的变化，必须改变电压。
我们选择电压型DA转换器件。
DA的精度取决于题目的要求。
本题基本要求是200mA－2000mA，步进10mA，分辨度是（2000－200）/10=180,普通的8位DA分辨度是2^8－1＝255，已经满足要求。
发挥部分要求是20mA－2000mA，步进1mA，分辨度为（2000－20）/1=1980,10位DA分辨度是2^10－1=1023,达不到如此高的精度，12位DA分辨度为2^12－1=4095，满足了要求。
因为无论怎样解决，不可避免的都要存在误差，因此要做的精度比要求的略高才能保证精确步进1mA，12位DA对于步进1mA还是有小的误差，因此选择了16位DA，尽量使误差变得更小。
1.1.4测量模块
方案1：
电路中串入电流表表头测量。
这种方案简单易行，但需要人工读数，而且电流范围较宽，只用一个量程无法实现精确读数，采用多量程又很麻烦。
方案2；采用AD转换测量电流。
把发射极所接电阻作为采样电阻，对电压进行采样，把数据传输给单片机处理并送显示模块显示。
综合比较之后，选择方案2。
1.1.5电源模块
题目需要输出2000mA的电流，因此需要较大的电源功率。
1.1.6语音模块
方案1：
选择专门的语音存储芯片，通过单片机控制放音。
只能进行简单的放音，不能实现复杂功能。
方案2：
利用61单片机进行存储和放音。
凌阳61单片机是16位单片机，具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达49MHz，具备运算速度高的优势等，这些都为语音的播放、录放、合成和辨识提供了条件。
为了显示出凌阳单片机的优势，我们选择方案2。
1.1.7显示模块
方案1：
采用LED数码管显示。
按题目要求，至少要用4位动态数码管显示，这样要占去大量的IO资源，而且数码管只能显示有限的数字和符号。
方案2：
采用带字库LCD显示。
为了避免占用大量的IO口，我们采用串行传输，虽然编程难度增大，但是节省了IO资源，避免外扩IO，减少了硬件电路的制作。
LCD可以用全中文界面显示，显示内容丰富，易于人机交流。
因此，我们采用方案2。
1.1.8键盘模块
根据题目要求，我们需要4×4键盘。
方案1：
由于61A单片机内有下拉电阻，所以IO可以直接接4×4键盘，单片机扫描读取。
优点是电路简单，接口方便，但占用了较多IO口，而且必须编写去抖程序，容易误码。
方案2：
采用并行键盘控制芯片8279。
8279是总线型数码管和键盘管理芯片，对于61单片机来说编程比较麻烦，而且是并行工作方式，占用相当多的IO口，这是最大的缺点。
方案3：
采用串行键盘控制芯片7289。
功能强大，只占用较少IO口，读取精确，虽然增加编程复杂度，也是值得的。
因此，我们选用方案3。
1.2方案选定
经过仔细的分析和论证，决定了系统各模块的方案如下：
（1）控制模块：
采用凌阳SPCE061A16位单片机；
（2）电流源模块：
采用集成运放反馈型电流源方案1；
（3）DA模块：
采用16位DA芯片控制电压转换；
（4）测量模块：
采用12位AD芯片采样电压转换成电流；
（5）电源模块：
采用大功率和小功率双电源分开供电；
（6）语音模块：
采用61单片机进行存储和放音
（7）显示模块：
采用带字库的液晶显示，串行传输方式；
（8）键盘模块：
采用串行键盘控制芯片7289。
2单元电路设计
2.1电流源电路的设计
我们论证了两种集成运放构成的深度负反馈恒流源电路，电路原理分别如图3和图4所示。
图3电流源电路设计1
图4电流源电路设计2
图3中采用了电阻浮置而负载接地，因为
浮置而需要两个反馈电阻
和
，常规的反馈
用于电流采样，而
接至
的另一端用于提供基准电压。
若不用
，则
与负载
均成为采样电阻，
就会和
有关，不能成为恒流源。
恒流源输出电流
与线路参数如下：
此电路为同向输入电路，由其性质可列出方程（前提条件
<<
）
（1）
（2）
联立
（1）
（2）解得
令
（3）
所以
（4）
由（3）（4）两式可看出，当
同时
时，
，此时
。
应注意
都应是经过筛选的高精密电阻，误差要小于0.01％才能保证
。
图4所示电路，D/A输出电压作为恒流源的参考电压，运算放大器与晶体管组成的达林顿电路构成电压跟随器。
利用晶体管平坦的输出特性即可得到恒流输出。
由于跟随器是一种深度的电压负反馈电路，因此电流源具有较好的稳定性。
采用5.1
水泥电阻，使其温度影响减至较小。
由虚短和虚断原则可知，流过采样电阻
的电流为运放同向端电压
比阻值，即
由三极管的性质，流过负载
的电流
，
所以
。
负载电流只与固定参数有关，比较适合我们的设计。
我们用仿真软件Multisim2001进行了仿真，结果显示在电流较小时（约为1A以下），两个电路均为较好的恒流源，但当电流较大时，例如2A时，图3电路就有较大失真，不再是精密的恒流源。
经过分析我们认为是负载对图3的电流产生了影响，当我们减小负载至
后，又成为恒流源。
所以，图3电路的带负载的能力太低，输出电压不能达到题目要求的10V，因此我们放弃了这个方案。
根据原理
，其中
的范围是20－2000mA，
为DA转换的电压，为了保证具有较高的精度，
应达到基准电压10V的较大值，而电路中电流最大为2A，若电阻取的不当，功率将很大，综合考虑我们取
，这样既保证较高的DA精度，又使功率不是很大。
集成运放选择了低失调集成运放OP07，它的失调电压为10uV，温漂200nV/c，偏置电流700pA，噪声9.6nV/Hz（1khz）,能满足要求。
因为电流将会达到2A，三极管也要选择大功率三极管，我们选择了2N3055，参数为15A/100V/115W,完全满足要求。
但在实际测试中仅用一个三极管无论怎样加大电压，电流都不会达到2A，所以我们采用了达林顿复合管结构，前级接中功率三极管5609，后级接大功率的2N3055，测试时能达到2A以上，符合我们的要求。
在实际测试中，发现在电流达到1A左右时，功率三极管已经很烫，为了防止击穿采取了如下措施：
加散热片和风扇，且采用了两级并联的方式。
这样虽然降低了精度，但保证了电路的稳定性，因为16位DA的精度足够，此时还能满足1mA的步进，所以这也是值得的。
经过测试，此电路能稳定的工作数小时。
电路改进如下：
图5最终确定的恒流源方案
2.2DA电路的设计
我们选择了16位电压型DA芯片AD669，它的外围电路非常简单。
DA能达到的精度：
（10*1000）
因为我们采用了一路DA控制两路并联的恒流源，使精度降低了一倍，
因此我们可以步进的最小步长为0.061mA，在实验中得到了验证。
此精度比题目的要求增加了数倍，而且步进1mA更精确。
2.3测量电路的设计
基本要求中电流的变化为200mA－2000mA，步进10mA，精度是（2000－200）/10=180,普通的8位AD精度是2^8－1＝255，已经满足要求。
发挥部分要求是20mA－2000mA，步进1mA，精度为（2000－20）/1=1980,10位AD精度是2^10－1=1023,达不到如此高的精度，12位AD精度为2^12－1=4095，因此我们选择12位的AD574。
12位AD芯片AD574的接口电路如图6所示。
图612位AD芯片AD574的接口电路设计
接上AD574以后，原本正常工作的电路忽然工作不正常，经测量DA转换的电压被拉低，排除故障时发现只要接上AD，DA的转换电压被迅速拉低。
经过认真考虑，发现必须在模拟开关前面加上电压跟随器，这样就可以有效的防止电压被拉低的问题。
同向电压跟随器电路如图7所示。
图72路电压跟随器电路
2.4电源的设计
由于电流源消耗的功率太大，而除电流源外都是一些低功率的器件，因此我们采用了双电源供电的方案。
小功率的电源提供单片机5V电源，集成运放、DA、AD的
V电源和风扇的12V电源，我们的变压器的功率为15W，应已经足够。
提供输出电流的电源部分，大电流时电流源消耗的功率约为10×2×2＝40W，电压约为10×2＝20V，应留有一定的余量，因此选择24V的稳压源。
2.5液晶显示电路的设计
为了节省宝贵的IO资源，采用了串行方案，利用3个IO口与单片机通信，我们使用的是带中文字库的4×8液晶模块，可以实现较好的界面显示，易于人机交流。
我们设计的主界面是第一行显示“*电流源（mA）*”，第二行显示“设置电流”，第三行显示“步进”，第四行显示“实测值mA”，通过键盘控制可以切换到设定电流值界面、步进界面，在此状态下可以按键设置数值，若设置错误可以按取消键重新设定。
2.67289键盘电路的设计
ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能,并且内含去抖电路，因此完全满足4×4键盘的要求，并有丰富的余量，支持以后的扩展功能。
3．软件设计
3.1软件实现
通过软件编写程序控制系统的运行，主程序流程图如图8所示。
图8主程序流程图
4.系统测试
4.1测试仪器及设备
表1测试仪器及设备
仪器名称
型号
用途
数量
计算机
联想PC
调试程序
1
可跟踪直流稳压电源
SS2323
提供电流源电压
1
毫伏表
测量纹波电压
1
位数字万用表
MASTECHmy－65
测量DA电压和负载电流
2
4.2指标测试
4.2.1输出电流范围的测试
表2输出电流范围的测试
DA输入数字量
负载通过的电流（mA）
0
0.00
1
0.715
1000
71
10000
586
20000
1174
30000
1761
40000
2348
分析:
DA输入数字量在较小时控制的电压不成线性关系，需要进行数值修正，当DA输入量较大时，呈良好的线性关系。
4.2.2预置电流与实测电流的偏差测试
表3预置电流与实测电流的偏差
序号
预置电流（mA）
实测电流（mA）
1
10
11
2
40
41
3
80
79
4
100
101
5
300
300
6
500
500
7
700
700
8
900
900
9
1000
1000
10
1100
1101
11
1200
1200
12
1300
1329
13
1400
1400
14
2000
1998
15
2500
2549
分析：
输出电流与设定电流一般有
的偏差。
4.2.3步进电流的测试
表4步进电流的测试
当前电流值（mA）
10
100
500
1000
1500
步进之
后的电
流值
（mA）
+1
11
101
501
1002
1503
-1
------
99
499
998
1509
+10
20
110
511
1010
1512
-10
------
90
490
990
1489
+100
110
200
601
1100
1599
-100
------
------
400
900
1401
分析：
步进值基本上能达到设定的步长，且比较稳定。
4.2.4输出电流稳定度的测试
表5输出电流稳定度的测试
设定电流（mA）
负载（
）
输出电压（mV）
输出电流（mA）
电流跳动（mA）
100
1
101
101
2
200
101
3
299
100
500
1
120
500
2
210
500
3
299
500
1000
1
998
999
2
201
1000
3
298
999
2000
1
2005
2001
2
3998
2002
3
6001
2002
2500
1
2505
2501
2
5001
2502
3
7500
2501
分析：
输出电流在最大负载范围内基本保持不变，电流较高时，稳定性相对好些。
4.2.5纹波电流的测试
表6纹波电流的测试
设定电流（mA）
纹波电压（mV）
纹波电流（mA）
20
0.97
0.19
2000
0.76
0.15
分析：
纹波电压在小电流时较大，随设定电流的增大逐渐变小，稳定性更强。
4.3误差分析
4.3.1DA转换的电压误差
经过大量的数据分析，发现负载电流始终在理论值上下波动，由公式
（其中
为DA转换得到的电压，
为水泥电阻）
水泥电阻受温度影响较小，故我们认为这是DA转换的纹波电压造成的。
改进措施：
我们在DA转换后加了滤波电容，尽量减小影响。
4.3.2集成运放的误差
我们都是按照理想运放进行分析的，实际上集成运放是非理想的，它的差模电压增益、输入电阻、共模抑制比均不可能无限大。
（1）差模电压增益Avd和差模输入电阻rid为有限值
（2）共模抑制比为有限值
（3）输入失调电压Vio、输入失调电流Iio和输入偏置电流Iib不为零
（4）输入失调电压温漂和输入失调电流温漂的影响
4.3.3其他误差
1、采样电阻R虽然为水泥电阻，但由于温度会超过100度，肯定会受到影响；
2、电流源的电压的稳定性也会造成一定影响，我们也加了滤波电容来减小这种误差；
3、万能板飞线的影响。
时间仓促，没有时间制作印刷电路板，我们会尽量减小别的误差来弥补工艺的不足。
Abstract：
Thissystemofdigitalcontroldirectcurrentsource,includingintegratedoperationalamplifierwithdeepnegativefeedback,isbasedonsunplus16bitssinglechip--SPCE061singlechip.Thekeyboardpresetting,step,displayingthegivenvalueandactualmeasuringvaluewithLCD,voiceremindingmakeoursystem’functions.Theoutputvalueofcurrentcanbesetatanylevelinloadscopefrom10mAto2500mA.Andtheleastsettingstepvaluecanbe1mA.
Keywords:
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