数控直流电流源设计报告.docx
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数控直流电流源设计报告
湖北经济学院
数控直流电流源设计报告
课题名称：
数控直流电流源
指导教师：
沈田
学生班级：
电子Q0931
学生姓名：
田甜李艳凤涂彬
学号：
091809041、17、25
学生院系：
管理技术学院计科系
2011年7月
数控直流电流源
摘要：
本系统以直流电流源为核心，LM3S811单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。
本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（TLV5616）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，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。
单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片（ADS7886），实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。
实际测试结果表明，本系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围±5mA，输出电流可在20mA~2000mA范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。
关键词：
压控恒流源A/DD/A
TheDigitalControlledDirectCurrentSource
Abstract:
ForthesystemthatDCsourceiscenterandLM3S811versionsinglechipmicrocomputer（SCM）ismaincontroller,outputcurrentofDCpowercanbesetbyakeyboardwhichsteplevelof1mAcanbeavailable,whiletherealoutputcurrentandsetvaluecanbedisplayedbyLED.Inthesystem,thedigitalprogrammablesignalfromSCMisconvertedtoanalogvaluebyDAC（TLV5616）,thentheanalogvaluethatisisolatedandamplifiedbyoperationalamplifiers,issenttothebaseelectrodeofpowertransistor,soanadjustableoutputcurrentcanbeavailablewiththebaseelectrodevoltageofpowertransistor.Ontheotherhand,TheconstantcurrentsourcecanbemonitoredbytheSCMsystemreal-timely,itsworkprocessisthatoutputcurrentisconvertedvoltage,thenitsanalogvalueisconvertedtodigitalvaluebyADC（ADS7886）,finallythedigitalvalueasafeedbackloopisprocessedbySCMsothatoutputcurrentismorestable,soastablevoltage-controlledconstantcurrentpowerisdesigned.Thetestresultshaveshowedthatthesystemcanoutputastablecurrent,whichhasnoinfluencewithloadandenvironmenttemperature,andcanoutputaprecisecurrentof±5mAerrorwithawidth,whichcanbesetliberallyin20mA~2000mA,soitcanbeappliedinneedareasofconstantcurrentsourcewithhighstabilityandlowpower.
Keywords:
voltage-controlledconstantcurrentsource;A/D;D/A
目录
一实验目的1
二实验任务及要求1
三总体设计方案2
（一）总体方案论证2
（二）各模块方案论证2
四硬件电路设计与计算4
五软件设计7
六系统联调、测试与分析7
七体会与感受8
八参考文献8
附录8
数控直流电流源实验
一实验目的
1、培养综合性电子线路的设计能力；
2、掌握综合性电子线路的安装和调试方法；
3、掌握Cortex-M3的工作环境，实现硬件与软件的联调；
4、实现数控直流电流源功能。
二实验任务及要求
（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：
图2.1数控直流电流源原理示意图
（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≤输出电流值的0.1％+1mA；
（4）纹波电流≤0.2mA；
（5）其他。
三总体设计方案
（一）总体方案论证
本设计要设计的基于单片机控制的直流恒流源，以直流稳压电源和稳流电源为核心,结合单片机最小系统实现对输出电流的控制。
首先采用了单片集成稳压芯片实现直流稳压,然后采用了分立元件实现稳流。
为实现对输出电流的控制:
一方面,通过D/A输出实现电流的预置,再通过运算放大器控制晶体管的输出电流;另一方面,运用A/D转换器件将输出电流的采样值送入单片机,与预置值进行比较,将误差值通过D/A转换芯片添加到调整电路,从而进一步降低了输出电流的纹波。
该系统输出电流范围较大，并且输出电流与给定值偏差的绝对值及纹波电流较小，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，分为以下几个组成部分：
单片机控制系统、A/D和D/A转换模块、压控电流源（恒流源）模块、电源模块、负载、键盘及显示模块。
系统组成框图如下：
图3.1系统组成框图
（二）各模块方案论证
1、压控电流源（恒流源）模块方案
方案一：
直接使用功率集成运放
特点：
使用容易、性能稳定可靠。
常用的功率集成运放一般能够输出±40V，10～15A的功率，性能指标也较高，完全能够满足本题要求。
但它的缺点就是电源的效率较低，这无形之中就增加了供电电源的负担，特别是在大电流的时候，芯片发热很快，芯片就无法正常工作，导致负载电流波动较大。
方案二：
采用集成运放的线性恒流源
特点：
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3.2。
图3.2集成运放构成的恒流源框图
综合考虑，采用方案二，使用低噪音、高速宽带运放OP27CP和达林顿管TIP122构成一个恒流源电路。
2、电源模块方案
本系统需要多个电源，运放的
，单片机系统、D/A转换芯片用
。
电源虽简单，但在高精度的系统中，尤其有纹波要求（本题目纹波电流
）时，有着非常重要的作用，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。
采用交流电经桥式全波整流，电容滤波，三端稳压器件稳压产生各种直流电压。
利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。
3、负载电流检测模块方案
采用康铜丝采样负载电流，经仪表放大器测量其两端的电压后再转换为实际的负载电流。
4、控制模块方案
采用LM3S811作为控制模块核心。
单片机最小系统简单，算术功能强，软件编程灵活、可以将程序下载到芯片，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LM3S811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。
5、键盘模块方案
题目中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，根据经验得可采用标准4*4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。
6、显示器模块方案
根据题目要求，采用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，故选择使用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。
四硬件电路设计与计算
1、压控电流源（恒流源）电路
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。
原理图如图4.1，该电路主要由运算放大器、大功率达林顿管、负载电阻R1、采样电阻R2等组成。
采样电阻R2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。
R2选用热稳定性好的康铜丝，运算放大器采用高精度的OP07CP芯片（图4.2）作为电压跟随器。
DAOUT为输入电压Ui,当Ui一定时，运算放大器的Ui=U2,I0=I1=I2=Ui/R2,即I0不随R1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/R2.
图4.1压控电流源
图4.2OP07芯片管脚图
2、电源电路
在本设计中，运放、D/A转换芯片的
15V分别用LM7815、LM7915稳压输出，单片机系统用+5V由LM7805稳压得到，78H、79H系列稳压器输出电流可以达到5A。
电流源部分由于需求功率较大，故采用输出电流为3A的可调三端稳压器。
电路如图4.3，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4.3
15V、+5V电源
3、控制器电路设计
（1）单片机最小系统
单片机系统是整个数控系统的核心部分，它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。
将单片机的引脚用接口引出,其中PA.0～PA.3是D/A转换接口；PB.0～PB.2是A/D转换器的接口;PD口为键盘接口。
（2）D/A转换器
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12位的D/A转换器，根据条件选择采用TLV5616芯片（图4.4.1）。
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,可对TLV5616实现控制，可采用单5V电源进行供电。
图4.4.1TLV5616芯片图4.4.2TLV5616外接电路
（3）A/D转换器
A/D转换器选用12位AD转换器ADS7886（图4.5.1），串行传输，两根控制线（CS和SCLK），一根数据线（SDO），时序也很简单：
CS从高到低—>芯片开始工作—>SCLK给个下降沿—>读取SDO输出数据0或1—>SCLK置高—>（循环读取16次）—>CS置高，一个读取过程结束，时序图如图4.6。
图4.5.1ADS7886芯片图4.5.2ADS7886外接电路
图4.6
、SCLK、SDO的时序图
4、键盘电路
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4.7。
图4.7键盘电路
5、显示电路
本设计采用ST7920液晶显示器，与单片机接口，采用8位并行接法，显示电流预置值及实测值。
五软件设计
软件设计采用C语言，对STC89C52单片机进行编程实现各种功能。
软件实现的功能是：
①设置预置电流值;
②测量输出电流值;
③控制ADS7886工作;
④控制TLV5616工作;
⑤对反馈回单片机的电流值进行补偿处理;
⑥驱动液晶显示器显示电流设置值与测量值;
⑦通过键盘扫描，确定电流步进调整，及检测各设置功能;
软件流程图如下图所示：
六系统联调、测试与分析
（1）测试使用的仪器
（二）测试与测试结果分析
键盘输入值（mA）
显示输出值（mA）
误差（%）
外部测量值（mA）
负载电压
20
2000
七体会与感受
感想一：
在接电路的时候，连接线的问题往往很容易被忽视，特别是在数字电路中，连线的问题会造成系统的不稳定或根本就没有反应。
注意不要把SDO、SCLK、CS接成排线，刚开始做了好久得到的都很不稳定，结果把排线改成单线就好了，再按照时序图来写也就不会有问题了。
根据题目设计要求，当器件处于2000mA的工作电流时，属于工作在大电流状态，晶体管长时间工作在这种状态，集电结发热严重，导致晶体管
值下降，从而导致电流不能维持恒定。
为了克服大电流工作时电流的波动，在输出部分增加了一个反馈环节来控制电流稳定，减小电流的波动，此反馈回路采用数字形式反馈，通过微处理器的实时采样分析后，根据实际输出对电流源进行实时调节。
经测试表明，采用常用的大功率电阻作为采样电阻R，输出电流波动比较大，而选用康铜丝制作采样电阻，电流稳定性得到了改善。
本系统以单片机LM3S811为核心部件，利用A/D进行数值采集，D/A补偿等技术结合并配合补偿算法实现了题目中要求的精度。
在系统设计过程中，力求硬件电路参数合理，线路简单，发挥软件编程灵活的特点，通过多次的调试，不断提高系统的精度和电流的稳定性，来满足系统设计的要求。
由于时间关系，该系统还有许多值得改进的地方。
本次竞赛，让我们展示了自我的能力，也使我们深切认识到自身知识能力尚存在许多不足，更让我们体会到了电子技术与设计的精髓。
八参考文献
【1】谢自美.电子线路设计设计测试.武汉：
华中理工大学出版社，2000年
附录
附录一主要元件清单
序号
元器件名
型号
数量
备注
1
单片机
LM3S811
1
2
AD转换器
ADS7886
1
3
DA转换器
TLV5616
1
4
运算放大器
OP07
1
5
LCD显示器
ST7920
1
6
达林顿管
TIP122
1
7
三端稳压器
LM7815
1
8
三端稳压器
LM7915
1
9
三端稳压器
LM7805
1
10
附录二：
（程序）
N
Y
N
Y
图x主程序流程图图x键盘中断子程序流程图
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