1、数控直流电流源设计报告数控直流电流源一、 设计任务和技术要求1. 设计一个数控直流电流源。2. 输出电流099mA,手动步进1mA增、减可调,误差不大于0.01mA。3. 具有输出电流大小的数码显示。4. 负载供电电压+12V,负载等效阻值100。5. 电路应具有对负载驱动电流较好的线性控制特性。6. 设计电路工作的直流供电电源电路。二、 系统原理概述本设计要求设计出一个数控的直流电源,并且输出电流为099mA,可以手动控制增减。在此采用数模转换的原理,只要产生与099mA电流相对应的数字量(我们取数字量为099),再使用D/A转换器转换为模拟电压量,最后再用V/I转换器将电压量转换为与电压量
2、相对应的电流量即可。为控制输出电流手动步进为1mA增、减可调,我们只要保证数字量(099)电压量(09.9V)电流量(099mA)相对应,通过控制数字量手动增减步进为1可调即可。综上,整个系统的原理框图如图一所示:三、 方案论证1. 直流稳压电源电路单元小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成。如图二所示:图二 稳压电源组成示意图方案一:输出可调的开关电源开关电源的功能元件工作在开关状态,因而效率高,输出功率大;且容易实现短路保护与过流保护,但是电路比较复杂,设计繁琐,在低输出电压时开关频率低,纹波大,稳定度极差,因此在本设计中不适合此方案。方案二:由固定式三端稳压
3、器组成由固定式三端稳压器(7805、7812、7912)输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成,它们的输入端接电容可以进一步滤波,输出端接电容可以改善负载的瞬间影响,并且此电路也比较稳定,实现简单。因此在此采用方案二,电路原理图如图三所示:图三 固定三端式直流稳压电源电路2. 手动增减数字量产生单元方案一:74LS163为可预置的4位二进制同步加法计数器。采用两片74LS163运用反馈清零或者反馈置数法构成十进制计数器,再将两片73LS163构成2位十进制加法计数器。电路结构较为简单,实现方便,电路图如图四所示。但由于要求电流值增、减可调,而此方法只实现增可调,减可调无法实现,所以不采用此方
4、案。图四 74LS163数字量产生电路方案二:74LS192是同步十进制可逆计数器,使用它可以很容易的产生可加可减的十进制数字量。因此此模块采用两片74LS192来产生两位十进制数字量,再通过按键控制电路来控制数字量的加或者减。电路原理图如图五所示:图五 74LS192数字量产生电路3.数码显示单元CC4513是一种BCD七段显示译码器、驱动器,它可以把BCD码直接译成七段码,并输出驱动七段显示数码管来显示09十进制数码。同时具有消隐输入、锁存以及试灯功能。由于CC4513输出七段码为高电平有效,所以我们必须选用共阴数码管,并且数码管要采用相应的限流措施。这里可以有两种限流方式:1) 每笔段串
5、电阻限流,如图六(a)所示,此种方式连接电阻较多,因此较之第二种线路较复杂,但具有显示亮度均匀的优点。2) 公共端串电阻限流,如图六(b)所示。此种方式线路连接简单,但显示亮度不均匀,显示不同数值时亮度会有所变化。因此我们不采用此方式。(a) (b)图六 限流方式示意图综上,采用CC4513的数码显示电路如图七所示:图七 数码显示单元电路4.D/A转换单元电路DAC0832是采用先进的CMOS/Si-Cr工艺制造而成的双列直插式电流输出型八位数-模转换器。其内部电路为R-2R倒T形电阻转换网络,在数字量的作用下,转换网络通过对基准电流的分流作用,转换成对应于输入数字量的模拟(电流)量输出,从而
6、完成D/A转换。方案一:使用一片DAC0832对前面数字量产生电路所产生的8位数字量进行转换,此方案简单快捷,电路图如图八所示。但是由于前面所产生的数字量为2位十进制数字量(即BCD编码的8位数字量),并非是8位二进制数字量,所以经由DAC0832转换得到的模拟量并非线性的,会产生跳跃,无法满足题目的第五点要求:电路应具有对负载驱动电流较好的线性控制特性。图八 D/A转换单元电路(单片DAC0832)方案二:采用两片DAC0832对前面所产生数字量的高4位和低4位分别转换,然后再经由信号放大处理,使用加法器对转换得到的两个模拟电压值进行相加运算,从而得到所要求的电压值。此种方案在达到题目的要求
7、的前提下,电路较为简单,实现起来也比较容易。因此我们采用此种方案。最终的D/A转换单元电路如图九所示:图九 D/A转换单元电路(两片DAC0832)5.V/I转换器将一个电压源信号线性地转换为电流源信号,在仪器仪表及自动化系统设计中经常会遇到。有很多技术资料介绍了各种各样的电压电流转换器(V/I转换器),各有特色。对这种电路的基本要求是:1. 输出电流与输入电压成正比;2. 输出电流为恒流源。即当负载电阻在规定范围内变化时,输出电流保持不变,;3. 输出电流对电源变化、环境温度等的变化不敏感。方案一:如图十(a)所示,运放的负反馈条件成立,故“虚短路”概念成立。同相端电压:,反相端电压:,虚短
8、路: 。可见负载电流I与V成正比,且与负载RL无关。运放我们采用意法半导体公司的TS982,它的输出电流在100mA200mA之间,完全能够满足要求。方案二:如图十(b)所示,在(a)的基础上稍加修改,使用三极管S8050进行扩流,则输出电流I主要决定于三极管的输出电流,S8050的输出电流最大有1.5A,完全满足使用要求。运放考虑到前面D/A转换电路中使用到5个运放需用到两片LM324,而一片有4个,所以前面有多余的运放未使用,为节约成本,这里就可以使用前面LM324上多余运放。由于TS982运放并不常见,所以在这里我们选用方案二。(a) (b)图十 V/I转换器四、 参数计算1. D/A转
9、换单元电路如图九所示为DAC0832的内部电阻,为DAC0832内部电阻网络的阻值,为电阻与可调电阻的串联阻值,为电阻与可调电阻的串联阻值。,1) 取,则计算得所以我们可以取,2) 取,则计算得所以我们可以取,3) 运算放大器与电阻,组成加法电路,输出电压计算公式为:当时,有关系式:所以我们可以取2. V/I转换单元电路如图十(b)所示运放的负反馈条件成立,故“虚短路”概念成立。同相端电压:;反相端电压:;虚短路: 。可见负载电流I与V成正比,且与负载无关。我们取,所以计算得。五、 元器件清单、调试用仪器设备清单元器件清单器件名称型号数量备注三端稳压器780517812179121TTL计数器74LS1922运算放大器LM3242DA转换器DAC08322BCD/七段译码器CC45132共阴数码管/2变压器5V,20W115V,20W1二极管IN40078三极管S80501自锁式开关/1按键/2即会自动弹起的电容470uF30.33uF30.1uF3电阻10K350K1700K11002300161K2可调电阻20K1100K1仪器设备清单仪器设备名称型号数量数字示波器1数字万用表1毫伏表1六、 附录总原理图
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