數(shù)控直流電流源設計報告

1、數(shù)控直流電流源設計報告數(shù)控直流電流源1、 設計任務和技術要求1. 設計一個數(shù)控直流電流源。2. 輸出電流。99mA手動步進1mA增、減可調(diào)，誤差不大于 0.01mA。3. 具有輸出電流大小的數(shù)碼顯示。4. 負載供電電壓+12V,負載等效阻值1000。5. 電路應具有對負載驅(qū)動電流較好的線性控制特性。6. 設計電路工作的直流供電電源電路。2、 系統(tǒng)原理概述本設計要求設計出一個數(shù)控的直流電源，并且輸出電流為099mA,可以手動控制增減。在此采用數(shù)模轉換的原理，只要產(chǎn)生與 099mA電流相對應的數(shù)字量（我們?nèi)?shù)字量 為099）,再使用D/A轉換器轉換為模擬電壓量，最后再用V/I轉換器將電壓量轉換為與

2、電壓量相對應的電流量即可。為控制輸出電流手動步進為1mA 增、減可調(diào)，我們只要保證數(shù)字量（099 電壓量（09.9V 電流量（099mA）相對應，通過控制數(shù)字量 手動增減步進為1 可調(diào)即可。綜上，整個系統(tǒng)的原理框圖如圖一所示：圖一系統(tǒng)原理框圖三、方案論證1 .直流穩(wěn)壓電源電路單元小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四方案一：輸出可調(diào)的開關電源開關電源的功能元件工作在開關狀態(tài)，因而效率高，輸出功率大；且容 易實現(xiàn)短路保護與過流保護，但是電路比較復雜，設計繁瑣，在低輸出電壓 時開關頻率低，紋波大，穩(wěn)定度極差，因此在本設計中不適合此方案。方案二：由固定式三端穩(wěn)壓器組成由固定式三端

3、穩(wěn)壓器（ 7805、7812、7912）輸出腳V0、輸入腳Vi和接地 腳GND組成，它們的輸入端接電容可以進一步濾波，輸出端接電容可以改善 負載的瞬間影響，并且此電路也比較穩(wěn)定，實現(xiàn)簡單。因此在此采用方案二，電路原理圖如圖三所示：圖三固定三端式直流穩(wěn)壓電源電路2 .手動增減數(shù)字量產(chǎn)生單元方案一：74LS163為可預置的4位二進制同步加法計數(shù)器。采用兩片74LS163運用反饋清零或者反饋置數(shù)法構成十進制計數(shù)器，再將兩片73LS163構成2位十進制加法計數(shù)器。電路結構較為簡單，實現(xiàn)方便，電路圖如圖四所示。但由于要求電流值增、減可調(diào)，而此方法只實現(xiàn)增可調(diào)，減可調(diào)無法實現(xiàn)，所以不采用此方案。圖四74L

4、S163數(shù)字量產(chǎn)生電路方案二：74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，使用它可以很容易的產(chǎn)生可加可減的十進制數(shù)字量。因此此模塊采用兩片 74LS192來產(chǎn)生兩位十進制數(shù)字量，再通過按鍵控制電路來控制數(shù)字量的加或者減。電路原理圖如圖五所示：CC4513是一種BCDt段顯示譯碼器、驅(qū)動器，它可以把BCM直接譯成七段碼，并輸出驅(qū)動七段顯示數(shù)碼管來顯示09十進制數(shù)碼。同時具有消隱輸入、鎖存以及試燈功能。由于CC4513輸出七段碼為高電平有效，所以我們必須選用共陰數(shù)碼管，并且數(shù)碼管要采用 相應的限流措施。這里可以有兩種限流方式：1）每筆段串電阻限流，如圖六（a）所示，此種方式連接電阻較多，因此較之第 二種

5、線路較復雜，但具有顯示亮度均勻的優(yōu)點。2）公共端串電阻限流，如圖六（b）所示。此種方式線路連接簡單，但顯示亮度 不均勻，顯示不同數(shù)值時亮度會有所變化。因此我們不采用此方式。（a）（b）圖六限流方式示意圖綜上，采用CC4513的數(shù)碼顯示電路如圖七所示:圖七數(shù)碼顯示單元電路4.D/A轉換單元電路DAC083愛采用先進的CMOS/Si-Cr工藝制造而成的雙列直插式電流輸出型八位數(shù)-模轉換器。其內(nèi)部電路為 R-2R侄JT形電阻轉換網(wǎng)絡，在數(shù)字量的作用下，轉換網(wǎng)絡通過對基準 電流的分流作用，轉換成對應于輸入數(shù)字量的模擬（電流）量輸出，從而完成D/A轉換。方案一：使用一片DAC083瀏前面數(shù)字量產(chǎn)生電路所

6、產(chǎn)生的8位數(shù)字量進行轉換，此方案簡單快捷，電路圖如圖八所示。但是由于前面所產(chǎn)生的數(shù)字量為2位十進制數(shù)字量（即BCW碼的8位數(shù)字量），并非是8位二進制數(shù)字量，所以經(jīng)由DAC0832轉換得到的模擬量并非線性的，會產(chǎn)生跳躍，無法滿足題目的第五點要求：電路應具有對負載驅(qū)動電流較好的線性控制特性。圖八 D/A轉換單元電路（單片 DAC0832方案二：采用兩片DAC0832X寸前面所產(chǎn)生數(shù)字量的高 4位和低4位分別轉換，然后再經(jīng) 由信號放大處理，使用加法器對轉換得到的兩個模擬電壓值進行相加運算，從而得到所要求的電壓值。此種方案在達到題目的要求的前提下，電路較為簡單，實現(xiàn)起來也比較容易。因此我們采用此種方案

7、。最終的D/A轉換單元電路如圖九所示：圖九D/A轉換單元電路（兩片 DAC08325.V/I轉換器將一個電壓源信號線性地轉換為電流源信號，在儀器儀表及自動化系統(tǒng)設計中經(jīng)常會遇到。有很多技術資料介紹了各種各樣的電壓電流轉換器（ V/I轉換器），各有特色。對這種電路的基本要求是：1 .輸出電流與輸入電壓成正比；2 .輸出電流為恒流源。即當負載電阻在規(guī)定范圍內(nèi)變化時，輸出電流保持不變，；3 .輸出電流對電源變化、環(huán)境溫度等的變化不敏感。方案一：如圖十（a）所示，運放的負反饋條件成立，故“虛短路”概念成立。同相端電壓：U V ,反相端電壓：U I RS ,虛短路：U U V I RS , V 一,，

8、一I ?？梢娯撦d電流I與V成正比，且與負載 RL無關。RS運放我們采用意法半導體公司的TS982,它的輸出電流在 100mA200mA之間，完全能夠滿足要求。方案二：如圖十（b）所示，在（a）的基礎上稍加修改，使用三極管 S8050進行擴流， 則輸出電流I主要決定于三極管的輸出電流， S8050的輸出電流最大有1.5A,完全滿足使用 要求。運放考慮到前面 D/A轉換電路中使用到 5個運放需用到兩片 LM324 ,而一片有4個, 所以前面有多余的運放未使用，為節(jié)約成本，這里就可以使用前面LM324上多余運放。由于TS982運放并不常見，所以在這里我們選用方案二。（a）圖十V/I轉換器(b)1.

9、D/A轉換單元一一電路如圖九所示四、參數(shù)計算Rfb為DAC0832的內(nèi)部電阻，R為DAC0832內(nèi)部R 2R電阻網(wǎng)絡的阻值，Rfi為電阻Ri與可調(diào)電阻Rpi的串聯(lián)阻值,Rf2為電阻R2與可調(diào)電阻Rp2的串聯(lián)阻值。Rfb R I5K1)ViVref ? Rfb 256 - RDi ?2i取Vi0.9V , Vref7Di?2i 9 ,則計算得 Rfi6i.8Ki 02)3)所以我們可以取Ri50KVVrefRfb Rf2 9V 2?256 RDi ?2i7取V29V , Vref 5V , Di ?2ii 0所以我們可以取R2 700K, Rp2運算放大器A3與電阻R3, R4,VoVi ?R5

10、 V2?R5R3R420K9 ,則計算得Rf2 753K100KR5組成加法電路，輸出電壓計算公式為:當R3 R4 R5時，有關系式:2.所以我們可以取R3R4R5V/I轉換單元一一電路如圖十（10Kb）所示運放的負反饋條件成立,故“虛短路”概念成立。同相端電壓:反相端電壓:Rs；虛短路：UV IRsRs可見負載電流I與V成正比，且與負載 Rl無關。我們?nèi) 9.9V , I 99mA,所以計算得 Rs 100五、元器件清單、調(diào)試用儀器設備清單元器件清單器件名稱型號數(shù)量備注三端穩(wěn)壓器780517812179121TTL計數(shù)器74LS1922運算放大器LM3242DA轉換器DAC08322BCD

11、/七段譯碼器CC45132共陰數(shù)碼管/2變壓器5V, 20W115V, 20W1二極管IN40078三極管S80501自鎖式開關/1按鍵/2即會自動彈起的電容470uF30.33uF30.1uF3電阻10K350K1700K1100a2300 a161K2可調(diào)電阻20K1100K1儀器設備清單儀器設備名稱型號數(shù)量數(shù)字示波器1數(shù)子力用表1毫伏表1六、附錄一一總原理圖數(shù)控直流電流源設計報告CC4513是一種BCDt段顯示譯碼器、驅(qū)動器，它可以把BCM直接譯成七段碼，并輸出驅(qū)動七段顯示數(shù)碼管來顯示09十進制數(shù)碼。同時具有消隱輸入、鎖存以及試燈功能。由于CC4513輸出七段碼為高電平有效，所以我們必須

12、選用共陰數(shù)碼管，并且數(shù)碼管要采用 相應的限流措施。這里可以有兩種限流方式：1）每筆段串電阻限流，如圖六（a）所示，此種方式連接電阻較多，因此較之第 二種線路較復雜，但具有顯示亮度均勻的優(yōu)點。2）公共端串電阻限流，如圖六（b）所示。此種方式線路連接簡單，但顯示亮度 不均勻，顯示不同數(shù)值時亮度會有所變化。因此我們不采用此方式。（a）（b）圖六限流方式示意圖綜上，采用CC4513的數(shù)碼顯示電路如圖七所示:圖七數(shù)碼顯示單元電路4.D/A轉換單元電路DAC083愛采用先進的CMOS/Si-Cr工藝制造而成的雙列直插式電流輸出型八位數(shù)-模轉換器。其內(nèi)部電路為 R-2R侄JT形電阻轉換網(wǎng)絡，在數(shù)字量的作用下

13、，轉換網(wǎng)絡通過對基準 電流的分流作用，轉換成對應于輸入數(shù)字量的模擬（電流）量輸出，從而完成D/A轉換。方案一：使用一片DAC083瀏前面數(shù)字量產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的8位數(shù)字量進行轉換，此方案簡單快捷，電路圖如圖八所示。但是由于前面所產(chǎn)生的數(shù)字量為2位十進制數(shù)字量（即BCW碼的8位數(shù)字量），并非是8位二進制數(shù)字量，所以經(jīng)由DAC0832轉換得到的模擬量并非線性的，會產(chǎn)生跳躍，無法滿足題目的第五點要求：電路應具有對負載驅(qū)動電流較好的線性控制特性。圖八 D/A轉換單元電路（單片 DAC0832方案二：采用兩片DAC0832X寸前面所產(chǎn)生數(shù)字量的高 4位和低4位分別轉換，然后再經(jīng) 由信號放大處理，使用加法器

14、對轉換得到的兩個模擬電壓值進行相加運算，從而得到所要求的電壓值。此種方案在達到題目的要求的前提下，電路較為簡單，實現(xiàn)起來也比較容易。因此我們采用此種方案。最終的D/A轉換單元電路如圖九所示：圖九D/A轉換單元電路（兩片 DAC08325.V/I轉換器將一個電壓源信號線性地轉換為電流源信號，在儀器儀表及自動化系統(tǒng)設計中經(jīng)常會遇到。有很多技術資料介紹了各種各樣的電壓電流轉換器（ V/I轉換器），各有特色。對這種電路的基本要求是：1 .輸出電流與輸入電壓成正比；2 .輸出電流為恒流源。即當負載電阻在規(guī)定范圍內(nèi)變化時，輸出電流保持不變，；3 .輸出電流對電源變化、環(huán)境溫度等的變化不敏感。方案一：如圖十

15、（a）所示，運放的負反饋條件成立，故“虛短路”概念成立。同相端電壓：U V ,反相端電壓：U I RS ,虛短路：U U V I RS , V 一,， 一I ?？梢娯撦d電流I與V成正比，且與負載 RL無關。RS運放我們采用意法半導體公司的TS982,它的輸出電流在 100mA200mA之間，完全能夠滿足要求。方案二：如圖十（b）所示，在（a）的基礎上稍加修改，使用三極管 S8050進行擴流， 則輸出電流I主要決定于三極管的輸出電流， S8050的輸出電流最大有1.5A,完全滿足使用 要求。運放考慮到前面 D/A轉換電路中使用到 5個運放需用到兩片 LM324 ,而一片有4個, 所以前面有多余的

16、運放未使用，為節(jié)約成本，這里就可以使用前面LM324上多余運放。由于TS982運放并不常見，所以在這里我們選用方案二。（a）圖十V/I轉換器(b)1. D/A轉換單元一一電路如圖九所示七、參數(shù)計算Rfb為DAC0832的內(nèi)部電阻， R為DAC0832內(nèi)部R 2R電阻網(wǎng)絡的阻值，Rfi為電阻R與可調(diào)電阻Rpi的串聯(lián)阻值,Rf2為電阻R2與可調(diào)電阻Rp2的串聯(lián)阻值。Rfb R 15K1)ViVref ? Rfb 256 - RDi ?2i取V10.9V , Vref7Di?2i9 ,則計算得Rf1i 061.8K2)3)所以我們可以取Ri50KV Vref 上 Rf2 QV 2?256 RDi ?2i7取V29V , Vref 5V , Di ?2ii 0所以我們可以取R2 700K, Rp2運算放大器A3與電阻R3, R4,VoV1 ?R5 V2?R5R3R420K9 ,則計算得Rf2100K753KR5組成加法電路，輸出電壓計算公式為:當R3 R4 R5時，有關系式:2.所以我們可以取R3R4R5V/I轉換單元一一電路如圖十（10Kb）所示運放的負反饋條件成立,故“虛短路”概念成立。同相端電壓:反相端電壓:Rs；虛短路：UV IRsRs可見負載電流I與V成正比，且與負載 Rl無關。我們?nèi) 9.9V , I 99mA,所以計算得 Rs 100八、元器件清單、調(diào)