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数控直流电流源F题
数控直流电流源（F题）
摘要：
本系统采用电流采样反馈调整控制技术，控制过程是利用LM741组成恒流源，结合放大电路，A/D转换电路，单片机最小控制系统，D/A转换电路等构成闭环系统。
通过采样将实际值输出到单片机，由单片机进行比较调整，控制电流输出。
由于使用了电流采样反馈调整控制技术，该系统具有可靠性好，精度高等优点。
关键词：
数控电流源，AT89S52单片机，反馈控制，LM741
NumericalControlDCCurrentSource
Abstract:
Employingthefeedbackadjustingtechniquewithcurrentsampling.TheclosedloopsystemconsistsoftheconstantcurrentsourceLM741,amplifiercircuit,AD574convertingcircuit,theprocessingbyOne-chipcomputer,andDAC7513convertingcircuit.TheOne-chipcomputerisusedtocompare,adjust,controlthecurrentoutputbytherealoutputssamplingfeedback.Thesystemfeaturesgoodresponsibilityandhighaccuracywiththefeedbackadjustingcontroltechniquebycurrentsampling.
Keywords:
NumericalCurrentSource,AT89S52,feedbackcontrol,LM741
一、方案论证与比较
方案一：
采用单片机作为核心控制器，用键盘设置所需的输出电流值，数模转换器D/A与其右边部分的电路构成恒流源，D/A输出电压作为恒流源的参考电压，运算放大器IC与三个晶体管组成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源输出，如图1所示。
该方案硬件电路简单，容易实现，但其输出精度不高。
方案二：
系统主要由放大电路，A/D转换电路，单片机，D/A转换电路，稳压电源，恒流源等组成，如图2所示。
系统中为了得到稳定的恒流输出，采用闭环控制的方式进行处理。
即通过精密电阻将电流信号变成电压信号，电压值的大
图2方案二系统设计框图
小反映了电流的强弱；经过电压放大器将信号进行放大，再进行A/D转换，单片机根据电压值转换为对应的电流值，与预置值比较，调整D/A转换的输入数字量，通过D/A转换的电压控制输出电流，从而达到恒流的目的。
同时，系统通过按键可以对电流进行设置，并经由LED交替显示预置的电流值和实测值。
综上所述，在方案二中，由于采用闭环控制方式，其输出电流纹波小，精度高、稳定性能好，能够消除器件老化、温度漂移等原因造成的输出误差对测量系统的影响，能够满足系统设计的要求，所以选择方案二。
二、系统设计与理论分析
1、稳压电源模块
稳压电源电路采用三端固定式稳压器，只要把正输入电压Ui加到3025（7812，7912）的输入端，3025（7812，7912）的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压Uo。
在电路中，芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，另外我们采用3025还需在芯片引出脚根部接小容量电容到地，分别用于抑制芯片的自激振荡和压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。
2、恒流源模块
恒流源电路如图5所示，是由运算放大器和电阻
～
等组成。
输入运算放大器反相端的电压是输出电流流过
、
后产生的电压降，所以运算放大器反相输入端电压高低反映了输出电流的大小。
同相端的输入电压为基准电压。
当同相端电压高于反相端电压时，运算放大器输出高电平，稳流电路不起作用，电源处于稳压状态。
当同相端电压低于反相端电压时，运算放大器输出低电平，稳流电路起作用，电路进入稳流状态。
图4恒流源电路
3、电压放大模块
电压放大电路如图5所示，该电路以AD620为核心。
图5电压放大电路
我们可以通过改变电阻
的阻值来改变电路的放大倍数。
由于恒流源输出电流范围需要达到
~
导致采样得到的电信号相差很大，而放大电路增益为定值，所以需要两路不同增益的放大电路对规定范围内的电压信号进行放大，使其输出电压控制在10V以内，可以让A/D转换电路采到。
4、数据采集与处理模块
为了提高系统的精度，A/D转换电路如图6所示，采用12位逐次逼近型的AD574，该芯片内有三态输出缓冲器，输出可直接连到单片机总线，输入控制信号有CE、/CS、R/C，A0及12/8。
当CE为1，/CS为0，R/C为0时，表示作A/D转换，R/C为‘1’时，表示读A/D转换后的数据。
起动AD574时，将A0（通常将它和单片机的最低位地址线A0相连）置‘0’，表示设定AD574为12位A/D。
在A/D结束后读取数据时，将A0置‘0’，表示允许输出转换结果12位中的高8位，再将A0为‘1’，表示允许输出低4位。
引脚12/8如接+5V，表示以一个12位字的方式输出数据。
图6A/D转换电路
D/A转换电路采用12位缓冲电压串行输出的DAC7513芯片，该芯片功耗低，内含精密输出放大器，使轨对轨输出成为可能，它采用三线串行接口，操作时时钟频率高达30Hz,基准电压来自外部，最大值为电源电压，输出具有非常宽的动态范围。
该转换电路的电路图如图7所示，1、2脚相连输出信号；3脚接基准电源5V，4脚接电源，5脚接地，3脚，4脚分别与地之间接电感，电容虑除纹波；6脚、7脚、8脚与单片机相连，由单片机输给信号。
其功能是把单片机输出的控制电流输出数值的信号通过放大电路放大传输到电流源。
图7D/A转换电路
5、键盘与显示模块
键盘和显示电路采用芯片8279，可以实现对键盘和显示器的自动扫描，识别闭合键的键号，完成显示器动态显示，可以节省处理键盘和显示器的时间，提高工作效率。
本系统设置了一个8279的接口电路，供用户扩展键盘和显示器所用。
8279与单片机的许多信号是兼容的，可直接连接，十分方便。
三、主要软件流程图
1、主程序流程图如图8所示，主要包括AD转换子程序，AD转换处理子程序，调整DA输出，键盘处理子程序等。
2、外部中断0中断程序（键盘按键中断）流程图如图9所示。
3、定时器/计数器1中断程序（显示中断）流程图如图10所示。
当定时器/计数器1计数满时溢出进入中断，在中断程序中对一个存放中断次数的寄存器加一，并判断寄存器的数值，是否到100次，不到100次不置标志位。
图8主程序流程图
图9外部中断0中断程序流程图图10定时器/计数器1中断程序（显示中断）流程图
四、系统测试
1、测试仪器与设备
基本仪器清单如表1所示。
表1基本仪器清单
仪器名称
型号
指标
生产厂家
数量
岩崎台式模拟示波器
SS-7802A
20Hz
日本岩崎
1
双通道数字示波器
TDS1002
60MHZ
Tektronix公司
1
双通道双指针毫伏表（低频毫伏表）
DF2170B
100KHz~100KHz
3%
10Hz~800kHz
10%
宁波中策电子有限公司
1
稳压电源
WD-5
+5V，+12V，-5V,-12V
启东市斯迈计算机厂
1
直流稳压源
DF17305B3A
50Hz
宁波中策电子有限公司
1
台式万用表
EDM-3155A
位
台湾富贵仪器ESCORT
1
数万用表
Vc9806+
位
深圳市胜高电子科技公司
1
2、指标测试
在输入交流200V～240V，50HZ；输出直流电压
10V的条件下，对制作的数控直流电流源进行测试，实验数据如表2所示：
表2电流测量值（每个测试点测量10次的平均值作为这个点的测量值）
序号
设定值（A）
测量值（A）
标准值（A）
测量误差（A）
1
0.020
0.021
0.0181
0.0029
2
0.120
0.121
0.1190
0.0020
3
0.220
0.221
0.2212
-0.0002
4
0.320
0.321
0.3224
-0.0014
5
0.420
0.421
0.4223
-0.0013
6
0.520
0.519
0.5223
-0.0033
7
0.620
0.620
0.6221
-0.0021
8
0.720
0.721
0.7210
0.0000
9
0.820
0.821
0.8203
0.0007
10
0.920
0.920
0.9201
-0.0001
11
1.020
1.021
1.0193
0.0017
12
1.120
1.121
1.1184
0.0026
13
1.220
1.221
1.2173
0.0037
14
1.320
1.319
1.3162
0.0028
15
1.420
1.419
1.4156
0.0034
16
1.520
1.521
1.5122
0.0012
17
1.620
1.620
1.6193
0.0007
18
1.720
1.722
1.7219
0.0001
19
1.820
1.782
1.7838
-0.0008
20
1.920
1.866
1.8558
0.0102
21
2.020
2.015
2.0136
0.0014
由上表可以知道，测量值与标准值之间最大的误差在第15个点，其值为：
3.4mA，小于给定值的0.1%+3个字（4.4mA）。
故可以满足题目（发挥部分）的第二项要求。
在不同电流值，输出直流电压在10V以内变化时，输出电流变化的绝对值表格如表3所示。
表3不同恒流点的输出电流变化（改变负载）
序号
设定值（A）
显示最大值（A）
显示最小值（A）
1
0.020
0.020
0.020
2
0.080
0.081
0.080
3
0.100
0.101
0.100
4
0.200
0.200
0.200
5
0.300
0.300
0.300
6
0.400
0.401
0.401
7
0.500
0.500
0.500
8
0.600
0.600
0.600
9
0.700
0.700
0.700
10
0.800
0.801
0.800
11
0.900
0.901
0.900
12
1.000
1.000
1.000
13
1.100
1.100
1.100
14
1.200
1.201
1.200
15
1.300
1.300
1.300
16
1.400
1.401
1.401
17
1.500
1.501
1.500
18
1.600
1.600
1.599
19
1.700
1.700
1.699
20
1.800
1.901
1.900
21
1.900
2.000
1.999
由表3可以知道：
显示最大值与最小值之差的绝对值为1mA，满足题目的发挥部分（3）的要求。
输出纹波是影响系统稳定度的一个重要方面，因此对电流纹波的测量十分必要，本系统得纹波测量值均小于0.2mA，满足题目要求。
3、误差分析
造成误差的原因有：
（1）运放零点漂移
由于运算放大器的零点漂移，温度漂移等带来的误差，可以通过温度补偿措施来解决此误差。
（2）采样电阻自热效应引起的误差
由于电阻在温度上升时阻值会发生变化，因此会引起温度飘移，给系统带来测量的误差。
（3）A/D，D/A转换误差
受AD转换器精度及基准源稳定程度的限制，不可避免地带来一定的误差，为了更精确的输出恒流电源，必须选用更多位数的AD、DA芯片。
（4）因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差或粗大误差。
（5）纹波对电流输出的影响。
采用屏蔽的方法、远离容易产生势骚动或脉冲工作方式的器件、减少IC供电电源的纹波等可减少由IC外部干扰产生的纹波。
对选择低噪声的运放是解决问题的一种方法，但不幸的是大多数产品目录中均未列出噪声指标。
根据少数运放的该项指标知道，其低频噪声（0.1～10Hz）电压的峰-峰值为（0.1～20µV）,因此，选择满足1x10-6稳定度要求的运放也不是很容易的。
另外，在输出接近低频直流时，运放的失调电压和失调电流也是产生低频噪声的源泉，特别是失调电流，在选择运放时亦应注意。
消除高频噪声可采用交流负反馈来提高运放的交流放大倍数和拓宽频带，但将造成增益降低。
解决的办法是在运放前加一级晶体管或场效应管的差分级，由于分离元件便于精选，故可改变整个比较放大器的噪声指标。
五、结论
数控直流电流源可以实现以下功能：
1、输出电流范围：
20mA～2000mA；
2、具有“+”、“-”步进调整功能，步进1mA或10mA。
3、显示输出电流的装置（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；
4、改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1％+1mA；
5、纹波电流≤0.2mA；
本设计制作完成了题目要求的基本部分的全部要求和发挥部分的大部分要求，而且部分功能大大高于发挥部分的要求。
目前，在电子仪器，设备中经常要用到直流电源，有时要求输出可预置，并当负载在一定范围内变化时应具有良好的稳定性，而且精度较高。
该设计完全符合了这些要求，如果再经过结构优化，将具有良好的市场前景。
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