電子設(shè)計(jì) 一種具有高精度低紋波數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)`

1、技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 I 頁(yè)摘 要 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種具有高精度的，低紋波數(shù)控直流電流源。所有數(shù)字電路選用CMOS數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)了“+”?！啊辈竭M(jìn)調(diào)整功能，降低給定電流與實(shí)際電流的偏差。運(yùn)用合理的電路結(jié)構(gòu)，降低了負(fù)載調(diào)頻整率；降低由于電源電壓變化對(duì)輸出電流所產(chǎn)生的影響。設(shè)計(jì)通過(guò)數(shù)碼顯示電路、直流電流源電路、雙時(shí)鐘可預(yù)置計(jì)數(shù)器步進(jìn)控制電路、0mA和3000mA上、下限邏輯控制電路。運(yùn)用雙時(shí)鐘可預(yù)置數(shù)步進(jìn)可逆計(jì)數(shù)器CD40192的計(jì)數(shù)向上和計(jì)數(shù)向下功能完成，即加進(jìn)位、減退位步進(jìn)調(diào)整電流值功能。采用比較器控制繼電器通/斷完成直流電流源的各種輸出值的設(shè)定。該實(shí)驗(yàn)具有可靠性好，精度高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵字

2、：低紋波數(shù)控、CMOS數(shù)字電路、數(shù)碼顯示電路、直流電流源電路、雙時(shí)鐘可預(yù)置計(jì)數(shù)器步進(jìn)控制電路、步進(jìn)可逆計(jì)數(shù)器CD40192 目 錄一、 緒論01（一） 問(wèn)題的提出01（二） 本論文的目的與意義02二、 理想的解決方案03三、 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)05（一） 恒流源的實(shí)現(xiàn)05（二） 手動(dòng)設(shè)置電路和步進(jìn)控制電路11（三） 驅(qū)動(dòng)控制電路15（四） 自制電源部分16（五） 預(yù)置電流值的上、下限邏輯控制電路17（六） 元器件選型19四、 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)19（一） 調(diào)試方法和過(guò)程19（二） 性能指標(biāo)測(cè)試與測(cè)試數(shù)據(jù)20（三） 程序流程圖22五、 結(jié)束語(yǔ)23（一） 結(jié)論23（二） 難點(diǎn)分析23（三） 難點(diǎn)誤差原因分

3、析24（四） 系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)24六、 致謝26七、參考文獻(xiàn)26技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 29 頁(yè)第一章 緒論一、問(wèn)題的提出1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀從上世紀(jì)九十年代末起，隨著對(duì)系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的技術(shù)更新推動(dòng)電源行業(yè)中直流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。在80年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開(kāi)始轉(zhuǎn)向到20世紀(jì)末更為先進(jìn)的第四代分布式供電結(jié)構(gòu)以及中間母線結(jié)構(gòu)，直流/直流電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何在現(xiàn)有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和數(shù)字控制。早在90年代中，半導(dǎo)體生產(chǎn)商們就開(kāi)發(fā)了數(shù)控電源管理技術(shù)，而在當(dāng)時(shí)，這種方案的性價(jià)比與當(dāng)時(shí)廣泛使用的模擬控制方案相比處于劣勢(shì)，因

4、而無(wú)法被廣泛采用。由于板載電源管理的更廣泛應(yīng)用和行業(yè)能源節(jié)約和運(yùn)行最優(yōu)化的關(guān)注，電源行業(yè)和半導(dǎo)體生產(chǎn)商們便開(kāi)始共同開(kāi)發(fā)這種名為“數(shù)控電源”的新產(chǎn)品?，F(xiàn)今隨著直流電源技術(shù)的飛躍發(fā)展，整流系統(tǒng)由于以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機(jī)控制，從而使直流電源智能化，具有遙測(cè)、遙信、遙控的三遙功能，基本實(shí)現(xiàn)了直流電源的無(wú)人值守。2本文研究的主要內(nèi)容、目標(biāo)與方法直流穩(wěn)壓電源是最常用的儀器設(shè)備，在科研及試驗(yàn)中都是必不可少的。針對(duì)以上問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套以低紋波數(shù)控直流電流源，所有數(shù)字電路選用CMOS數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)了“+”?！啊辈竭M(jìn)調(diào)整功能，降低給定電流與實(shí)際電流的偏差。運(yùn)用合理的電路結(jié)構(gòu)，降低了負(fù)載調(diào)頻整率

5、；降低由于電源電壓變化對(duì)輸出電流所產(chǎn)生的影響。設(shè)計(jì)通過(guò)數(shù)碼顯示電路、直流電流源電路、雙時(shí)鐘可預(yù)置計(jì)數(shù)器步進(jìn)控制電路、0mA和3000mA上、下限邏輯控制電路。運(yùn)用雙時(shí)鐘可預(yù)置數(shù)步進(jìn)可逆計(jì)數(shù)器CD40192的計(jì)數(shù)向上和計(jì)數(shù)向下功能完成，即加進(jìn)位、減退位步進(jìn)調(diào)整電流值功能。 本次研究一種以低紋波數(shù)控直流電流源為核心的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)，該電源選用CMOS數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)了“+”?！啊辈竭M(jìn)調(diào)整功能，降低給定電流與實(shí)際電流的偏差，輸出精度高，特別適用于各種有較高精度要求的場(chǎng)合。二、本論文的目的與意義1在條件下盡可能的實(shí)現(xiàn)如下目的（1） 通過(guò)合理設(shè)計(jì)，盡可能降低紋波電流，達(dá)到要求的電流變化范圍；（2） 采用合理的方

6、案，實(shí)現(xiàn)“+”、“”步進(jìn)調(diào)整功能，降低給定電流與實(shí)際電流的偏差；（3） 通過(guò)采用合理的電路結(jié)構(gòu)，降低負(fù)載調(diào)整率；（4） 降低由于電源電壓變化對(duì)輸出電流所產(chǎn)生的影響；（5） 完成滿足設(shè)計(jì)需要的電源設(shè)計(jì)。2. 本次設(shè)計(jì)的意義 直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)常用的設(shè)備之一，廣泛的應(yīng)用與教學(xué)、科研等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的多功能直流穩(wěn)壓電源電源功能簡(jiǎn)單。難控制、可靠性低、 干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高。普通直流穩(wěn)壓電源品種很多，但均存在以下二個(gè)問(wèn)題：1輸出電壓粗調(diào)（波段開(kāi)關(guān)）及細(xì)調(diào)(電位器)來(lái)調(diào)節(jié)。這樣，當(dāng)輸出電壓需要精度輸出，或需要在一個(gè)小范圍內(nèi)改變時(shí)（如1.051.07V），困難就較大。另外隨著時(shí)間的增加波段開(kāi)關(guān)

7、及電位器難免接觸不良，對(duì)輸出會(huì)有影響。2穩(wěn)壓方式均為是采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，對(duì)過(guò)在進(jìn)行限流或截流型保護(hù)，電路構(gòu)成復(fù)雜，穩(wěn)壓精度也不高。在家用電器和其他各類電子設(shè)備中，通常都需要電壓穩(wěn)壓的直流電源供電。但在實(shí)際生活中，都是220V的交流電網(wǎng)供電。這就需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電。濾波器用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般傳統(tǒng)電路由濾波扼流圈和電容組成。若有晶體管濾波器來(lái)替代，則可縮小直流電源的體積，減輕起重量，且晶體管濾波直流電源不需要直流穩(wěn)壓器就做能用的家用電器的電源，這既降低倆用電器的成本，又縮小了其體積，使家用電器小型化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的突

8、飛猛進(jìn)，現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用的工控產(chǎn)品需要有低紋波、寬調(diào)范圍的高壓電源，特別是在一些高物理領(lǐng)域，急需電腦或單片機(jī)控制的低紋波、寬調(diào)范圍的電源。第二章 理想的解決方案 數(shù)控電流源要求輸出電流2A以下，輸出電壓不高于10V，要求數(shù)字控制。對(duì)于這道題，各個(gè)參賽隊(duì)都有各自的解決方案，但從整體框架傾向于采用D/A控制恒流源的方案較多。事實(shí)上，如果利用輸出電壓可調(diào)的集成穩(wěn)壓器就可以非常好的實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)，很容易就可以輸出電壓可調(diào)的集成穩(wěn)壓器做成精度極高的恒流源，剩下的問(wèn)題就是你是否想到這樣的就決方案。以下就是這兩種方案的論證比較，讀者可以通過(guò)論證橫兩個(gè)方案的可行性。方案一采用單片機(jī)控制D/A實(shí)現(xiàn)恒流源部分電路的組建

9、，方案如圖所示。圖1 單片機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)控直流電流源 單片機(jī)控制是在軟、硬件結(jié)合的情況下實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)用此方案存在以下幾個(gè)問(wèn)題：軟件編程的復(fù)雜性，硬件D/A的位數(shù)及響應(yīng)速度受限，輸出精度不高，更為主要的采用單片機(jī)控制，很容易就會(huì)將噪音引入到擴(kuò)流功能的輸入端，使的將其噪聲信號(hào)放大，從而產(chǎn)生較大的輸出紋波。這對(duì)于本命題中對(duì)紋波參數(shù)控制較為嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，再輸出電流精度要求很高的情況自自下，不是很理想的一種解決方案。 方案二數(shù)字電路設(shè)計(jì)數(shù)控直流電源如下圖所示。該方案的核心部分是計(jì)數(shù)器構(gòu)成步進(jìn)控制電路，由撥碼開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)其預(yù)置功能，通過(guò)計(jì)數(shù)器的加減計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制。另外，計(jì)數(shù)器的輸出為BCD編碼格式，可以很方便的

10、連接數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)控制電路，實(shí)現(xiàn)顯示功能。也正是利用了計(jì)數(shù)器輸出BCD編碼格式，可以用輸出電壓可調(diào)的集成穩(wěn)壓器分別做成精度極高的恒流源，利用繼電器切換組合不同點(diǎn)流質(zhì)的恒流源實(shí)現(xiàn)不同輸出要求的電流值，具體的固定恒流源電路共有以下14種：1mA、2mA、4mA、8mA、10mA、20mA、40mA、80mA、100mA、200mA、400mA、800mA、1000mA、2000mA。這樣做不僅精度高，而且控制方式簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。 數(shù)字電路設(shè)計(jì)數(shù)控直流電流源方案比較： 比較兩種方案，后一種方案有以下幾個(gè)特點(diǎn)：不用考慮軟件編程復(fù)雜性及軟件和硬件的兼容性，精度很高。穩(wěn)定性強(qiáng)不易受到干擾，紋波抑制比較高。

11、也不存在方案二中需要BCD碼向二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。同時(shí)，由于題目是數(shù)控制流電流源，并且有精度的步進(jìn)值要求，因而不適合采用普通的串聯(lián)或并聯(lián)的線性穩(wěn)壓電源合開(kāi)關(guān)電源。否則難以達(dá)到步進(jìn)要求和控制要求。在數(shù)字電路中，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單集成度高，可以容易實(shí)現(xiàn)精確的遞增、遞減的預(yù)置功能控制。由于沒(méi)有采用單片機(jī)，便沒(méi)有了單片機(jī)工作時(shí)的干擾問(wèn)題，因此電路的輸出是非常干凈的。另外，由于各個(gè)恒流源單元相互獨(dú)立，互不干擾，可以很容易實(shí)現(xiàn)極細(xì)微電流。也就是說(shuō)，不需要更多調(diào)整就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)揮步進(jìn)1mA功能。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)一、恒流源的實(shí)現(xiàn)解決方案可以有如下兩種。（1）每個(gè)恒流源輸出電流固定的解決方案如果不計(jì)成本，可以采用多

12、只LM317實(shí)現(xiàn)，按8-4-2-1碼和毫安、十毫安。白毫安、千毫安的方式分別用LM317實(shí)現(xiàn)2mA、4mA、8mA、10mA、20mA、40mA、80mA、100mA、200mA、400mA、兩個(gè)400mA 和六個(gè)500mA的恒流源。其中，1A和2A的恒流源分別采用2只和4只500mA的恒流源并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，這樣做的好處不僅可以降低集成穩(wěn)壓器的最小輸入/輸出電壓差、減少集成穩(wěn)壓器的功耗，而且較小的輸出電流檢測(cè)電阻比較容易弄到，電路板造成的電壓降，也可以減小。由于LM317在一般狀態(tài)的最小不可控的電流約1.2mA。因此，1mA擋只能采用晶體管恒流源的方式。通過(guò)0.5級(jí)電流表或0.2級(jí)電流表在對(duì)1mA、

13、2mA、4mA、8mA、10mA、20mA、40mA、80mA、100mA、200mA、400mA 、800mA1000mA、2000mA的恒流源分別用1mA 、2mA、5mA、10mA、10mA、20mA、50mA、100mA、200mA、500mA 、1000mA、2000mA進(jìn)行校準(zhǔn)，可以獲得至少5甚至更高的精度。在這里各恒流源值為電流表滿量程的80%以上，從而使電流源的精度得到保證，如果測(cè)試電流低于測(cè)試量程的一半，測(cè)試電流源的精度得不到5的精度。 與每一個(gè)LM317相連的電阻的阻值的具體計(jì)算如下： LM317基準(zhǔn)電壓值1.25V，其輸出電流為I0,則所需串接的電阻為Ri(i=1，2，3

14、，) 即：Ri=U基準(zhǔn)/I0（i=1,2,3, ）由此理論計(jì)算得到的電阻見(jiàn)下表。 可調(diào)穩(wěn)壓掛接的點(diǎn)組織列表輸出電流I0（mA）相應(yīng)的輸出電阻值（）1125026254312.58156.25101252062.54031.258015.62510012.52006.254003.125（400+400）(3.1250+3.125)（500+500）(2.50+2.50)（500+500+500+500）(2.50+2.50+2.50+2.50)各擋電流的切換：考慮易實(shí)現(xiàn)性和較大的電流，切換開(kāi)關(guān)選用小型繼電器或微型繼電器。繼電器的控制可以采用晶體管開(kāi)關(guān)或LM319（四比較器）驅(qū)動(dòng)，一般情況下，在

15、12V供電條件下的驅(qū)動(dòng)電流小于20mA。 根據(jù)以上思路分析，恒流源如圖所示，圖中給出各輸出電流恒流源的測(cè)試電阻參數(shù)。 恒流源電路圖中，繼電器觸點(diǎn)K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11、K12、K13、K14分別控制2A、1A、800mA、400mA 、200mA、100mA、80mA、40mA、20mA、10mA、8mA、4mA、2mA、1mA 恒流源是否接入。這樣的1mA2A的任何電流值都可以用上述電流源的組合實(shí)現(xiàn)。下圖中電路的輸出電壓范圍，為輸出電壓減電流源電阻電壓（1.25V）和集成穩(wěn)壓器的輸入/輸出電壓差（約2V）,共計(jì)3.25V。因此，最低輸入電壓至少要

16、高于3.15V（實(shí)際上這種狀態(tài)下沒(méi)有輸出電壓范圍，電路將失去意義）：最高輸入電壓似乎為L(zhǎng)M317的最高輸入電壓為40V,實(shí)際上受LM317的安全工作去的限制，在輸出短路狀態(tài)下，0.5A輸出電流的最高輸入電壓僅為35V（實(shí)際上這個(gè)電壓已經(jīng)足夠了）,高于這個(gè)電壓，受可調(diào)輸出電壓集成穩(wěn)壓器LM317的安全工作去的限制，這種情況下輸出電流將得不到保證。 下圖中電路的繼電器觸點(diǎn)由繼電器激磁線圈是否通過(guò)（足夠的）電流決定，這個(gè)繼電器的激磁線圈可以用晶體管控制，起點(diǎn)如圖所示。 圖中晶體管集電極與電源之間接的方塊代表繼電器的激磁線圈，方塊中的數(shù)字與字符與受控的觸點(diǎn)相對(duì)應(yīng)；圖中的第一排電路為1A、2A繼電器的激

17、磁線圈，對(duì)應(yīng)撥碼開(kāi)關(guān)的1和2，由于僅需要2A，故3以上的碼可以鎖定，僅僅使用1和2。第二行。第三行。第四行則分別對(duì)應(yīng)百毫安、十毫安、毫安擋位對(duì)應(yīng)的電路，各激磁線圈對(duì)應(yīng)的接在8、4、2、1撥碼開(kāi)關(guān)的8、4、2、1的端子上，撥碼開(kāi)關(guān)的公共端接12V電源正端。最簡(jiǎn)單的方法就是將繼電器的激磁線圈直接接在撥碼開(kāi)關(guān)上，這樣電路就更簡(jiǎn)單了。由于沒(méi)有單片機(jī)，所以沒(méi)有了單片機(jī)工作時(shí)的干擾，因此電路的輸出就是非常干凈的。 切換電路（2）切換恒流源檢測(cè)電阻的解決方案 恒流源固定電流輸出的方案盡管可以得到及其精確的輸出電流，所付出代價(jià)是所應(yīng)用的集成穩(wěn)壓器數(shù)量比較多，為了減少集成穩(wěn)壓器的數(shù)量，每個(gè)電流數(shù)量級(jí)可以用一個(gè)集

18、成穩(wěn)壓器，用繼電器控制電流檢測(cè)電阻的方式，可以選用8-4-2-1的方式選擇電流檢測(cè)電阻。這種方式對(duì)于100mA一下的電流源是比較容易做到的，這是因?yàn)殡娏鳈z測(cè)電阻值比較大（12.5以上），PCB和繼電器的寄生電阻可以忽略。而400mA以上的恒流源則最好是采用固定電流的恒流源的方式。圖為切換恒流源檢測(cè)電阻的恒流源主電路的解決方案。 切換恒流源檢測(cè)電阻的恒流源主要電路的解決方案圖中的繼電器觸點(diǎn)K1、K2、K3、K4、分別為安、百毫安、十毫安、毫安量程電流的轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)，而K11、K12、K21、K22、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K43、K44則分別為各量程內(nèi)的電流設(shè)置觸點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)

19、采用每個(gè)恒流源輸出固定的解決方案，只要準(zhǔn)備調(diào)整各個(gè)恒流源單元，就可以實(shí)現(xiàn)基本功能要求。（二）手動(dòng)設(shè)置電路和步進(jìn)電機(jī)（1） 手動(dòng)設(shè)置部分本部分采用按鍵開(kāi)關(guān)進(jìn)行預(yù)置值設(shè)置，即在CD40192的預(yù)置輸入端與撥碼開(kāi)關(guān)（BCD碼編碼格式輸出）相連，實(shí)現(xiàn)電流預(yù)置功能。由于預(yù)置輸入由CD40192的預(yù)置端控制，在預(yù)置端設(shè)置電流時(shí)，先將預(yù)置端PL加上4個(gè)復(fù)位按鍵進(jìn)行預(yù)置。當(dāng)電路剛接通時(shí)，如果按下個(gè)位、十位、百位、千位預(yù)置轉(zhuǎn)換按鍵（4個(gè)按鍵）中的某一位時(shí)，再按下09的BCD轉(zhuǎn)換按鍵，即可對(duì)該位進(jìn)行預(yù)置值設(shè)置。用8個(gè)按鍵進(jìn)行個(gè)、十、百、千各位的手動(dòng)增一和減一的操作。為了避免產(chǎn)生抖動(dòng)脈沖，按鍵經(jīng)過(guò)兩個(gè)六施密特觸發(fā)器

20、40106進(jìn)行抖動(dòng)。同時(shí)，由于預(yù)置電流值上下限電路的限制，使預(yù)置的電流值只能在03000mA之間顯示。 手動(dòng)設(shè)置電路和步進(jìn)控制電路如圖所示。 手動(dòng)設(shè)置電路和步進(jìn)控制電路（2） 步進(jìn)控制部分利用本系統(tǒng)中的雙時(shí)鐘可預(yù)置數(shù)同步可逆計(jì)數(shù)器來(lái)完成贈(zèng)數(shù)控制和減數(shù)控制，即簡(jiǎn)單又實(shí)用。其控制過(guò)程如下：該電路的核心是CD40192，完成0099的計(jì)數(shù)功能。設(shè)有8個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)位、十位、百位、千位的手動(dòng)增一功能和減一功能。（如按下對(duì)十位增一操作或減一操作的按鍵，則可對(duì)當(dāng)前的預(yù)置數(shù)值進(jìn)行增10mA或減10mA）。平時(shí)按鍵不被按下時(shí)，保持低電平使各個(gè)CD40192的計(jì)數(shù)加進(jìn)位、計(jì)數(shù)減退位無(wú)效。當(dāng)按下某個(gè)按鍵時(shí)

21、，并且不被加禁位電路或減禁位電路限制時(shí)，各個(gè)CD40192的計(jì)數(shù)加進(jìn)位或計(jì)數(shù)減退位便出現(xiàn)個(gè)上升沿使手動(dòng)預(yù)置進(jìn)位或退位有效。則可進(jìn)行增一或減一；增十或減十；增百或減百；增千會(huì)減千，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)功能。若有加禁位輸出或減禁位輸出，為低電平，使CD40192的計(jì)數(shù)加進(jìn)位、計(jì)數(shù)減退位無(wú)效。即：在電流預(yù)置設(shè)定時(shí)，使之在輸出零值之后，不能再進(jìn)行減一操作，出現(xiàn)負(fù)值；在輸出3000時(shí)再不能進(jìn)行加一操作，出現(xiàn)大于3000的電流值。但本系統(tǒng)實(shí)際電流輸出值可達(dá)到3999mA。范圍則為03999mA。（三）驅(qū)動(dòng)控制電路由于采用的是小型繼電器或微型繼電器，對(duì)于其驅(qū)動(dòng)電路就可以不采用傳統(tǒng)的三極管驅(qū)動(dòng)繼電器或MOS管驅(qū)動(dòng)繼電器，

22、而是直接利用比較器驅(qū)動(dòng)繼電器，通過(guò)CD40192DE 輸出值與比較器LM339正向輸入端的電壓進(jìn)行比較，達(dá)到驅(qū)動(dòng)繼電器的目的，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)控制設(shè)定恒定電流源的輸出值。比較器的高輸入阻抗可以實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的抗干擾功能。 如果產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)繼電器的電平信號(hào)高于正向輸入端的電壓，則驅(qū)動(dòng)繼電器閉合，使對(duì)應(yīng)有輸出恒定電流質(zhì)的LM317輸出相應(yīng)的電流值（入驅(qū)動(dòng)器LM339將連有輸出值為20mA的LM317上的繼電器閉合，則輸出電流值20mA）。若產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)繼電器的電平信號(hào)低于正向輸入端的端電壓，將不能驅(qū)動(dòng)繼電器。驅(qū)動(dòng)控制穩(wěn)定電流源硬件連接圖如圖所示。 驅(qū)動(dòng)控制穩(wěn)定電流源硬件連接圖（四）自制電源部分 自制電源部分主要能夠給穩(wěn)

23、壓電路及部分集成電路（包括運(yùn)放集成電路和數(shù)字集成電路）的供給電源。輸出為+15V。這部分常采用電源電路中包括變壓器降壓、橋式整流、電容濾波、三端穩(wěn)壓集成帶電路穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。此電路設(shè)計(jì)的作用是：降低電網(wǎng)紋波對(duì)電路的影響，其電路如下圖所示。 自制電源電路（五）預(yù)置電流值的上、下限邏輯控制電路為了保證在03000mA之間顯示，即：使之在輸出零值時(shí)，不能在進(jìn)行減一操作，在輸出3000時(shí)再不能進(jìn)行加一操作。因此，對(duì)CD40192的14位的輸出端和所有的CD40192的計(jì)數(shù)向上位、計(jì)數(shù)向下位進(jìn)行；邏輯運(yùn)算。其具體過(guò)程如下：將手動(dòng)撥碼對(duì)千位、百位、十位、個(gè)位上進(jìn)行增一（減一）的邏輯反向輸出，分別表示個(gè)位、十位、

24、百位的CD40192的進(jìn)位（錯(cuò)位）輸出端和表示對(duì)加進(jìn)位（退進(jìn)位）輸入限制的輸出位，這三者邏輯與，表達(dá)式如下： CPU=SDZ·TCU·ADIS CPU=SDJ·TCD·DDIS 注：邏輯表達(dá)式中的符號(hào)具體含義如下 表示低12位的輸出 Q10Q11Q12Q13Q20Q21Q22Q23Q30Q31Q32Q33Q40Q41：表示CD40192的14位的輸出；ADIS：表示對(duì)加進(jìn)位輸入限制的輸出位，即ADIS=Q10+Q11+Q12+Q13+Q20+Q21+Q22+Q23+Q30+Q31+Q32+Q33+Q40+Q41即分別表示個(gè)位、十位、百位、千位的CD401

25、92各位的輸出端的邏輯或關(guān)系；DDIS：表示對(duì)減退位輸入限制的輸出位，即DDIS= Q40·Q41即表示千位上最高兩位的邏輯與非關(guān)系；TCU：分別表示個(gè)位、十位、百位的CD40192的進(jìn)位輸出端；TCD：分別表示個(gè)位、十位、百位的CD40192的借位輸出端；SDZ：表示手動(dòng)撥碼對(duì)千位、百位、十位、個(gè)位上進(jìn)位增一的邏輯反向輸出；如下圖。 0mA和2000mA上、下限邏輯控制電路SDJ：表示手動(dòng)撥碼對(duì)千位、百位、十位、個(gè)位上進(jìn)行減一的反向輸出；CPU：分別表示千位、百位、十位的CD40192計(jì)數(shù)加進(jìn)位的輸入端；CPD：分別表示千位、百位、十位的CD40192計(jì)數(shù)減退位的輸入端；為了防止輸

26、出電流降低到0mA時(shí)，減計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作可能出現(xiàn)的突然變化到最大的電流；以及為了防止電流降低到2000mA時(shí)，加計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作可能出現(xiàn)的突然變化到零的電流，需要設(shè)置0mA和2000mA上、下限邏輯控制電路，如圖上所示。（六）元器件選型 三端可調(diào)正輸出電壓穩(wěn)壓器 LM317伺服比較器 LM339三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源 TL431 高頻小功率二極管 IN4148可預(yù)置加/BCD減計(jì)數(shù)器（雙時(shí)鐘） CD40192 NPN管/PNP管電容 C1電阻 2.5 3.125 5 6.25 12.5 15.625 31.25 62.5 125 156.25 312.5 625第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（一） 調(diào)試方法和過(guò)

27、程對(duì)于邏輯板的測(cè)試，運(yùn)用在線測(cè)試的方法。即：將14個(gè)輸入端子、CD40192的14位輸出端和所有的CD40192的計(jì)數(shù)向上端口、計(jì)數(shù)向下的端口接上相應(yīng)的電平，滿足邏輯板的工作條件。當(dāng)使輸入端子設(shè)定為0mA，再做減一操作時(shí)，想高位借位，若輸出端電壓為低電壓時(shí)說(shuō)明邏輯正確；當(dāng)使輸入端子設(shè)定為3000mA，再做加一操作時(shí)，向高位進(jìn)位，若輸出端電壓為低電平時(shí)說(shuō)明邏輯正確。同理，讓雙時(shí)鐘可預(yù)置數(shù)同步可逆計(jì)數(shù)器步進(jìn)控制電路與顯示板相連，而且在兩塊板各自滿座工作的條件下，將4個(gè)數(shù)碼管輸入的端子給予譯碼輸入，看顯示數(shù)值是否正確。若譯碼輸入與顯示的數(shù)值一樣，則說(shuō)明顯示板能正確工作。將系統(tǒng)整體搭接起來(lái)，開(kāi)始按下按

28、鍵送初值，看顯示初值，測(cè)后級(jí)電流源輸出的電流值，比較測(cè)試值與設(shè)定值的大小，看電流的設(shè)定值與測(cè)試值的絕對(duì)偏差、電流變化的絕對(duì)偏差、紋波電流值等參數(shù)是否符合要求。（二）性能指標(biāo)測(cè)試與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果說(shuō)明如下：按1mA 、2mA、4mA、8mA、10mA、20mA、40mA、80mA、100mA、200mA、400mA、800mA、 1000mA、2000mA的電流設(shè)定值的順序，分別在空載、最大無(wú)偏差負(fù)載電壓、10V負(fù)載電壓3種情況下對(duì)每個(gè)設(shè)定值測(cè)3次。其測(cè)試參數(shù)有測(cè)試電流、測(cè)試負(fù)載電壓、負(fù)載電阻，見(jiàn)下表。性能指標(biāo)與測(cè)試數(shù)據(jù)（1）設(shè)定電流（mA）測(cè)試電流（mA）測(cè)試負(fù)載電壓（V）負(fù)載電阻（）

29、11.020.146119.969010600110.810220229.67721.84105100440449.68043.8102500880889.677887.61012501010010109.684109.6841010202020020209.686201.96105064040040409.6724038.5102508080080809.65580731012810010001001009.558100951010020020002002009.558200187105040040004004009.668400385102580080008008009.653800750

30、1025100010000100010009.65810009401010.3200020000200020009.75820001.88105.1 性能指標(biāo)與測(cè)試數(shù)據(jù)（2）設(shè)定電流值（mA）負(fù)載電壓（V）峰峰值（mV）負(fù)載電阻（）紋波電流（mA）200588241.8（三）程序流程圖結(jié)束語(yǔ)（一）結(jié)論在設(shè)計(jì)制作數(shù)控直流恒流源的過(guò)程中，我們深切體會(huì)到，實(shí)踐是理論運(yùn)用的最好檢驗(yàn)。本次設(shè)計(jì)是對(duì)我們?nèi)晁鶎W(xué)知識(shí)的一次綜合性檢測(cè)和考驗(yàn)，無(wú)論是動(dòng)手能力還是理論知識(shí)運(yùn)用能力都得到了提高，同時(shí)加深了我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源認(rèn)識(shí)，大大提高了查閱資料的效率，使我們有充足的時(shí)間投入到電路。數(shù)控直流電流源可以實(shí)現(xiàn)以下功能：1.

31、輸出電流范圍：20mA2000mA； 2.具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)1mA或10mA；3.顯示輸出電流的裝置 (交替顯示電流的給定值和實(shí)測(cè)值)，測(cè)量誤差的絕對(duì)值測(cè)量值的0.1+3個(gè)字；4.改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，輸出電流變化的絕對(duì)值輸出電流值的0.1+1 mA；5.紋波電流0.2mA； 本系統(tǒng)的研制主要應(yīng)用到了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、大功率電源設(shè)計(jì)、電子工藝等多方面的知識(shí)，所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)程序控制的壓控恒流源，達(dá)到了題目要求。在數(shù)據(jù)測(cè)試和調(diào)試方面，由于儀表存在誤差和電路器件因工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)溫度升高而產(chǎn)生的誤差，使得測(cè)量數(shù)據(jù)不是很精確，本系統(tǒng)就此通

32、過(guò)軟件設(shè)計(jì)，減少誤差的存在，使輸出電流的誤差范圍減小到±5mA，大大提高了系統(tǒng)的精度。（二）難點(diǎn)分析 在恒流源的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中，本方案遇到的主要難點(diǎn)在于如何減少紋波，通過(guò)仔細(xì)研究與分析，確定要使紋波盡可能小，需要運(yùn)算放大器的電源和輸入端信號(hào)要穩(wěn)定，因此對(duì)運(yùn)算放大器我們采用獨(dú)立電源供電，保證了放大器有穩(wěn)定電源電壓，進(jìn)而使輸出較小的紋波電流成為可能。然而，當(dāng)將控制電路與主電路結(jié)合在一起時(shí)，輸出紋波電流的增大又成為一大問(wèn)題。這是由于控制電路的輸出有紋波，加到運(yùn)算放大器的輸入端將紋波放大，導(dǎo)致輸出電流紋波加劇，為解決這一問(wèn)題，我們?cè)谶\(yùn)放輸入端并聯(lián)電容，以達(dá)到濾波的目的，從而較好的解決紋波問(wèn)

33、題。除了上述功能外，實(shí)現(xiàn)方案只需搭建好數(shù)字邏輯器件，完成邏輯關(guān)系。我們還考慮了其他功能，手動(dòng)設(shè)置電路和步進(jìn)控制電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、自制電源以及散熱性能的加強(qiáng)，由于時(shí)間與資源的限制沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，另外，有些功能的實(shí)現(xiàn)方式還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。（三）難點(diǎn)誤差原因分析系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，主要有：1.集成運(yùn)算的非理想和溫漂產(chǎn)生的誤差；2.采樣水泥電阻受溫度的影響產(chǎn)生的誤差；3.輸出電流端子和電壓測(cè)量端子；4.紋波對(duì)電流輸出的影響； 采用屏蔽的方法、遠(yuǎn)離容易產(chǎn)生勢(shì)騷動(dòng)或脈沖工作方式的器件、減少IC供電電源的紋波等可減少由IC外部干擾產(chǎn)生的紋波。對(duì)選擇低噪聲的運(yùn)放是解決問(wèn)題的一種方法，但不幸的是大多數(shù)產(chǎn)品目錄中均

34、未列出噪聲指標(biāo)。根據(jù)少數(shù)運(yùn)放的該項(xiàng)指標(biāo)知道，其低頻噪聲(0.110Hz)電壓的峰-峰值為(0.120µV),因此，選擇滿足1x10-6穩(wěn)定度要求的運(yùn)放也不是很容易的。另外，在輸出接近低頻直流時(shí)，運(yùn)放的失調(diào)電壓和失調(diào)電流也是產(chǎn)生低頻噪聲的源泉，特別是失調(diào)電流，在選擇運(yùn)放時(shí)亦應(yīng)注意。運(yùn)放的非理想和理想的原因。消除高頻噪聲可采用交流負(fù)反饋來(lái)提高運(yùn)放的交流放大倍數(shù)和拓寬頻帶，但將造成增益降低。解決的辦法是在運(yùn)放前加一級(jí)晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管的差分級(jí)，由于分離元件便于精選，故可改變整個(gè)比較放大器的噪聲指標(biāo)。（四）系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的事數(shù)控直流電流源。設(shè)計(jì)分為4個(gè)模塊：數(shù)碼顯示電路、直流電流源電路、雙時(shí)鐘可預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器步進(jìn)控制電路、0mA和3000mA上、下限邏輯控制電路。運(yùn)用雙時(shí)鐘可預(yù)置數(shù)同步可逆計(jì)數(shù)器CD40192的計(jì)數(shù)向上和計(jì)數(shù)向下功能完成，即加進(jìn)位、減退位步進(jìn)調(diào)整電流值功能。采用比較器控制繼電器通/斷完成直流電流源的各種輸出值的設(shè)定。CD40192直接數(shù)碼顯示電路可同時(shí)顯示電流值。3000mA和0mA上、下限邏輯控制電路是保證輸出電流在0mA3000mA范圍內(nèi)。輸入設(shè)備如下：各功能按鍵見(jiàn)下表。可預(yù)置按鍵和