幾種簡單恒流源電路

1、幾種簡單的恒流源電路恒流電路應(yīng)用的范圍很廣，下面介紹幾種由常用集成塊組成的恒流電路。1. 由7805組成的恒流電路，電路圖如下圖1所示：Viri詢5 is匚 VTG1TDR Io1L HPQ3ORV31囹3是不能忽略的，且隨Vout, Vin及環(huán)境溫度的變化而變化，所以電流I = Ig + VOUT/R Ig的電流相對于Io 這個電路在精度要求有些高的場合不適用。2. 由LM317組成的恒流電路如圖2所示，1= ladj + Vref/RWref = 1.25 ),ladj的輸出電流是微安級的所 以相對于Io可以忽略不計，由此可見其恒流效果較好。3. 由PQ30RV3組成的恒流電路如圖3所示，

2、I = Vref/R(Vref = 1.25>,他的恒流會更好，另外他是低壓差穩(wěn) 壓IC。摘要：本文論述了以凌陽16位單片機(jī)為控制核心，實現(xiàn)數(shù)控直流電流源功能的方案。設(shè)計采用MOSFE和精密運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流源的主體，配以高精度采樣電阻及 12位D/A、A/D轉(zhuǎn)換器，完成了單片機(jī)對輸出電流的實時檢測和實時控制，實現(xiàn)了10mA-2000mA范圍內(nèi)步進(jìn)小于2mA恒定電流輸出的功能，保證了紋波電流小于 0.2mA,具有較高的精度與穩(wěn)定性。人機(jī)接口采用 4X4鍵 盤及LCD液晶顯示器，控制界面直觀、簡潔，具有良好的人機(jī)交互性能。關(guān)鍵字：數(shù)控電流源SPCE061A模數(shù)轉(zhuǎn)換 數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣電阻一、方案

3、論證 根據(jù)題目要求，下面對整個系統(tǒng)的方案進(jìn)行論證。方案一：采用開關(guān)電源的恒流源 采用開關(guān)電源的恒流源電路如圖1.1所示。當(dāng)電源電壓降低或負(fù)載電阻 Rl降低時，采樣電阻RS上的電壓也將減少，則SG3524的 12、13管腳輸出方波的 占空比增大，從而BG1導(dǎo)通時間變長，使電壓 U0回升到原來的穩(wěn)定值。BG1關(guān)斷后，儲能元件L1、E2、E3 E4保證負(fù)載上的電壓 不變。當(dāng)輸入電源電壓增大或負(fù)載電阻值增大引起 U0增大時，原理與前類似，電路通過反饋系統(tǒng)使 U0下降到原來的穩(wěn)定值，從而 達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載電流II的目的。優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)電源的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率高。與之相配套的散熱器體積大大減

4、小，同時脈沖變壓器體積 比工頻變壓器小了很多。因此采用開關(guān)電源的恒流源具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：開關(guān)電源的控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出紋波較大，在有限的時間內(nèi)實現(xiàn)比較困難。方案二：采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒流源系統(tǒng)電路構(gòu)成如圖1.2所示。MC7805為三端固定式集成穩(wěn)壓器，調(diào)節(jié) 5 ,可以改變電流的大小，其輸出電流為式中為MC7805 的靜態(tài)電流，小于10mA當(dāng)此較小即輸出電流較大時，可以忽略 爲(wèi)，當(dāng)負(fù)載電阻竝變化時，MC780敦變自身壓差來維持通過負(fù)載 的電流不變。Ulft UouLKw+UinC1Wn+5VMC7805KGPWm亠C20- Ln優(yōu)點(diǎn)：該方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高缺點(diǎn)：無

5、法實現(xiàn)數(shù)控。的MOSFET高精度運(yùn)算放大器、采樣電阻等組成，其電路原理圖如圖 路，使得該電路的精度很高。士 12V x0£g siOP-O7C/LT100n.3 Opd匸二* 20RFP46O字4fR110圖1.2采用集成穩(wěn)壓器件的恒流源電路方案三：單片機(jī)控制電流源該方案恒流源電路由N溝道1.3所示。利用功率MOSFE的恒流特性，再加上電流反饋電15V圖1.3恒流源電路該電流源電路可以結(jié)合單片機(jī)構(gòu)成數(shù)控電流源。通過鍵盤預(yù)置電流值，單片機(jī)輸出相應(yīng)的數(shù)字信號給D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號送到運(yùn)算放大器，控制主電路電流大小。實際輸出的電流再通過采樣電阻采樣變成電壓信號，A/D轉(zhuǎn)

6、換后將信號反饋到單片機(jī)中。單片機(jī)將反饋信號與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的 精度。本方案可實現(xiàn)題目要求，當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時具有良好的穩(wěn)定性，而且精度較高?；谏鲜龇桨副容^和題目的要求，米用了方案三。、詳細(xì)軟硬件設(shè)計根據(jù)題目要求和上述論證，確定的系統(tǒng)框圖如圖2.1圖2.1系統(tǒng)框圖硬件連接圖如圖2.2，本系統(tǒng)中SPCE061A勺IOA815, IOB1215為復(fù)用端口E5IIJCS AO RW EF DEO DB1 DE2 DB3 DB4 DE5 DB6 DB7SPLCJSOl晶顯示器圖2.2系統(tǒng)硬件連接圖1、硬件設(shè)計<1)單片機(jī)控制

7、電路本系統(tǒng)采用SPCE061AI片機(jī)作為控制核心。SPCE061A1 16位單片機(jī)，指令周期短，工作速率快，功耗低，具有豐富的片上資源，集成了可編程音頻處理電路，可以在線下載，易于調(diào)試。尤其是其語音播放功能對增加 語音報警功能提供了很大的方便。<2) A/D，D/A接口設(shè)計根據(jù)題目要求，數(shù)控直流恒流源的精度為1mA所以至少需要11位的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換采用BB公司的ADS7816勾成的轉(zhuǎn)換電路，如圖2.3。 ADS7816是12位串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換 器，采樣頻率高達(dá)200kHz,轉(zhuǎn)換所需時間短，轉(zhuǎn)換精度高。ADS7816專換器將采樣電阻上的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給單片機(jī)，

8、單 片機(jī)將此反饋信號與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。同時， A/D采樣回來的電流經(jīng)過單片機(jī)處理傳送到 LCD可以顯示當(dāng)前的實際電流值。mVin234IOB12 7r-： 卜 DCLK V+ IN+-IN-VREFOUT GND CS/SD 18ADS7816UIS lOBll5IOB13Cap 470uFT±=C5Cap104圖2.3A/D接口電路D/A轉(zhuǎn)換采用12位DAC7625P勾成的轉(zhuǎn)換電路，如圖2.4。 DAC7625具有較高的精度。D/A轉(zhuǎn)換電路主要負(fù)責(zé)把單片機(jī)輸出的控制 信號送給高精度運(yùn)算放大器，控制電流源輸出電流

9、大小。U3設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓為=2.5V,采樣電阻'：. - 1.2207 -VREFHVREFLOUTBVOUTCOUTA7OUTDVs?VddGNDNICRETcsAlDBOAODBIRjflfDB2DBHDBSDBWDB4DB9DB5DBSDBI4DB7OB9 7【6學(xué)910EOA12n【0打3飛0A1414nFCtp IM20 1OBL010B3IS IOB21716皿L5 IOATs27圖2.4D/A接口電路'-，鍵盤輸入數(shù)字量為D, D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓 x2500當(dāng)輸入數(shù)字量加1,模擬增加量 V=/V=0.61mV0.61mV選擇參考電壓'川A7

10、則輸出電流變化二：厶Jd，=0.5mA即D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸入量每增加數(shù)值1,恒流源輸出電流增加0.5mA。因此為實現(xiàn)步進(jìn)功能，每按一次步進(jìn)"+"鍵，單片機(jī)送給 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量D加2,從而輸出電流加1mA實現(xiàn)了電流步進(jìn)1mA的要求。步進(jìn)減1mA同理。當(dāng)鍵盤設(shè)置輸出電流大小 為I時，單片機(jī)送給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量為2 X I，使得電流源電路輸出電流為I。然而這只是理想情況，實際電路因為種種原 因，實際輸出電流不會完全等于理論計算值，此時電流反饋控制起了關(guān)鍵作用。單片機(jī)通過分析A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值，得到電路實際輸出的電流大小，對D/A轉(zhuǎn)換器的給定數(shù)字量進(jìn)行調(diào)整，使得輸出電流

11、大小更精確。<3）恒流源電路要組成部分，其電路原理圖如圖 2.5所示。主要由高精度運(yùn)算放大器，MOSFET采樣電阻等組成。恒流源電路是系統(tǒng)的重15V圖2.5恒流源電路根據(jù)運(yùn)放特性可得：,以減少因溫度變化而引D/A轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓加在運(yùn)算放大器正輸入端，控制負(fù)載中流過的電流。采樣電阻選用康銅絲起的采樣電阻阻值的變化。采樣電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，供A/D轉(zhuǎn)換用。設(shè)計中A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓都為2.5V,電路中流過的電流最大值為 2000mA因此正常情況下電阻阻值應(yīng)為 2500mV/2000mA=1.25 。考慮到系統(tǒng)的步進(jìn)功能，當(dāng) D/A2500 強(qiáng) 7轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸入加1時

12、，其模擬輸出增加量 v=，與此同時采樣電阻上的電壓也相應(yīng)增加相同的數(shù)值，令其輸出電流增2500K = 1.22070加0.5mA貝U計算得采樣電阻阻值為：4096x04期運(yùn)算放大器的輸出控制著 MOSFE的VGS因此運(yùn)算放大器輸出的穩(wěn)定性將直接決定系統(tǒng)輸出電流的穩(wěn)定性；同時，運(yùn)算放大器還決定著系統(tǒng)輸出電流的精度。為了滿足系統(tǒng)的精度及紋波要 求，選用精密運(yùn)算放大器 OP07C <4）鍵盤及LCD顯示電路 系統(tǒng)中采用普通的4X4鍵盤實現(xiàn)電流的設(shè)計和調(diào)節(jié)。4X4鍵盤原理 圖如圖2.6所示。鍵盤包括下列功能：S1 :程序復(fù)位；S2:液晶復(fù)位；Set:設(shè)定；09預(yù)置輸入；"+ "

13、;:電流上調(diào)；"-":電流下 調(diào)；Enter：確認(rèn)。從09預(yù)置鍵中輸入預(yù)置電流值，確認(rèn)后便可通過液晶顯示出預(yù)置電流值。上調(diào)鍵"+"和下調(diào)鍵"-"分別用來控制電流以步進(jìn)1mA增減，電流變化通過液晶顯示出來。12V|Vin|D/A輸入30p=± ioon2雲(yún)動電阻01帥氐-Rg siOPh07C/LTIRFP46015V100n.5V區(qū)采樣電阻1.2207圖2.64 X4鍵盤原理圖液晶顯示器選用凌陽公司的 SPLC501液晶模組，SPLC501是 128X 64的點(diǎn)陣LCD其內(nèi)部自帶驅(qū)動電路，外圍電路非常簡單， 因為凌陽公司提供

14、了驅(qū)動程序，使得編程也相當(dāng)簡單。在本設(shè)計中用它來顯示電流的給定值、實際測量值以及系統(tǒng)工作狀態(tài)。LCD的接口電路如圖2.7所示。設(shè)置電流值1111 mA實氾電療伯一. 1110 mA系統(tǒng)工作正常圖2.7液晶接口電路<5）系統(tǒng)電源因為系統(tǒng)對電流的精度及紋波要求較高，而系統(tǒng)電源的精度及穩(wěn)定度在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能，因此系統(tǒng)電源的設(shè)計是整個系統(tǒng)中的重要部分。為了防止恒流源電路中的較大電流對控制部分產(chǎn)生干擾，將控制部分的電源和恒流源電路電源分成獨(dú)立的兩部分，分別由兩組變壓器供電，電路如圖2.8所示。c)i < c)jAHKDO4lcu cnTITHEW圖2.8自制電源原理圖控制部分：2

15、20V電壓經(jīng)變壓器輸出兩組獨(dú)立的交流 10V電源和一個交流15V電源。其中一路交流10V電源經(jīng)整流、濾波、 7805穩(wěn)壓后輸出+5V電壓，給CPUS LCD供電；第二路交流10V電源經(jīng)整流、濾波、7805穩(wěn)壓后輸出-5V<正端接地）電壓為運(yùn)算 放大器提供負(fù)工作電源。交流15V輸出電壓經(jīng)整流、濾波、7812穩(wěn)壓輸出+12V電壓，為運(yùn)算放大器提供正工作電源，同時此 +12V 電源經(jīng)過參考電源芯片 MC1403輸出+2.5V電壓做為A/D，D/A的參考電壓。 恒流源電路電源：220V電源經(jīng)變壓器降壓輸出交 流19V電壓，再經(jīng)過整流、濾波、78H15穩(wěn)壓后輸出+15 V電壓，直接作為恒流源電路電

16、源。2. 軟件設(shè)計軟件系統(tǒng)的任務(wù)主要有 A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、步進(jìn)加減、鍵盤掃描、液晶顯示、語音報警等功能。為了將所有任務(wù)有序的組織起來，軟件系統(tǒng)采用前后臺結(jié)構(gòu)。SPCE061/單片機(jī)擁有獨(dú)立的時基發(fā)生器，無需占用定時器。系統(tǒng)設(shè)置了一個1024Hz的時基中斷，為整個系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的運(yùn)行節(jié)拍，保證了各個任務(wù)能有條不紊的工作。對時間沒有實時要求的任務(wù)如鍵盤掃描、液晶顯示，放在主循環(huán)中。A/D, D/A轉(zhuǎn)換任務(wù)需要定周期運(yùn)行，放在時基中斷服務(wù)子程序中運(yùn)行。有效的保證了重要任務(wù)能 及時被執(zhí)行。<1）主程序 系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括I/O 口，中斷系統(tǒng)，定時器/計數(shù)器等工

17、作狀態(tài)的設(shè)置，系統(tǒng)變量賦初值等工作；完成系統(tǒng)初始化后打開中斷；隨之進(jìn)入鍵盤掃描程序。鍵盤掃描獲取鍵值后根據(jù)鍵值，完成設(shè) 定預(yù)置電流值，步進(jìn)加減，并通過 LCD顯示輸出電流值及系統(tǒng)是否正常工作信號。主程序流程圖如圖2.9所示。圖2.9主程序流程圖<2）時基中斷服務(wù)子程序時基中斷服務(wù)子程序流程圖如圖 2.10所示。在此中斷服務(wù)程序中控制進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換圖 2.10時基中斷服務(wù)子程序<3）A/D轉(zhuǎn)換程序A/D轉(zhuǎn)換器ADS7816勺接口形式為位串行接口，因此在對 ADS78164行操作時需要考慮到時序問題,ADS7816勺控制流程圖如圖2.11所示圖 2.11A/D轉(zhuǎn)換程序3、系統(tǒng)的

18、保護(hù)及其抗干擾設(shè)計<1）系統(tǒng)的保護(hù)當(dāng)系統(tǒng)工作不正常導(dǎo)致輸出電流過大時，若無保護(hù)功能，將造成嚴(yán)重后果。因此，在硬件方面，選取帶有過流、過熱、短路保護(hù)功能的集成線性穩(wěn)壓電路LM78H15K在軟件方面，當(dāng)鍵盤設(shè)定電流超過2018mA或者A/D轉(zhuǎn)換器采樣得到的電流值超過2000mA時，控制系統(tǒng)輸出的控制信號會切換為 0,則主電路輸出的電流也相應(yīng)為 0,同時液晶顯示"系統(tǒng)工作不正常"。這樣系統(tǒng)得到雙重保護(hù)，能確保其工作安全可靠。<2）系統(tǒng)抗干擾設(shè)計系統(tǒng)工作于較強(qiáng)的電磁輻射環(huán)境中，容易受到各種干擾的影響。輕則使電流輸出不穩(wěn)定，紋波電流增加，嚴(yán)重時會導(dǎo)致整個系統(tǒng)工作不正常。因

19、此，本系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面采取抗干擾的措施，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。a硬件抗干擾設(shè)計主電路和控制電路的電源由兩個獨(dú)立的變壓器供電，消除了主電路對控制電路的電源干擾。在220V電源進(jìn)線端設(shè)置電源濾波器，消除電網(wǎng)上的各類高頻干擾，防止電網(wǎng)電壓突變對系統(tǒng)造成沖擊。在運(yùn)算放大器的輸入端加設(shè)濾波電容，對抑制紋波電流起到至關(guān)重要的作用。合理布置接地系統(tǒng)中的數(shù)字地與模擬地，避免了數(shù)字信號對模擬信號的干擾。b、軟件抗干擾設(shè)計系統(tǒng)中采用看門狗技術(shù)，若程序出現(xiàn)死循環(huán)或者跑飛現(xiàn)象，凌陽單片機(jī)內(nèi)部的看門狗將使單片機(jī)復(fù)位，將單片機(jī)重新拉回有序的工作狀態(tài)。對A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果采用數(shù)字濾波技術(shù)，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。三、測試說

20、明1、測試儀器本系統(tǒng)的測試儀器見表3.1 o數(shù)拄直涼電流原220VVLRL圖3.1測試電路示意圖測試方法：采用4位數(shù)字萬用表的電流檔測試輸出電流IL,用低頻毫伏表測負(fù)載RL兩端的電壓值VL。負(fù)載采用滑線變阻3、測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析據(jù)如表3.2 o<1）輸出電流范圍：10mA-2000mA達(dá)到發(fā)揮部分要求。<2）輸出電流與給定值偏差測試數(shù)序號名稱型號數(shù)量14位數(shù)字萬用表DT9203A12低頻毫伏表XSD-113滑線變阻器BX 7-241測試儀器表3.1測試電路與測試方法2、測試電路如圖3.1 o絕對誤差比較2D 2006D0300 1300 1500 1700 2000Id血| Id-

21、 H-1 (mA)-IdXO. l%+3(mA)* IdXl% + 10(mA)表3.2輸出電流與給定值偏差測試數(shù)據(jù)序號123456789給定電流Id（mA>10202006008001300150017002000顯示電流（mA>10201995987971303150217042004輸出電流IL（mA>11211995977971303150217042005|Id IL|(mA>111233245Id x 0.1 %+ 3(mA>3.013.023.23.63.84.34.54.75Id x 1%+ 10(mA>10.0110.02121618232

22、52730圖3.2絕對誤差比較圖測試結(jié)果分析：如圖3.2，實測絕對誤差曲線在發(fā)揮要求的曲線下方。輸出電流滿足發(fā)揮部分的誤差精度要求。同時，電流值 小時，輸出電流更接近給定電流。電流值較大時，因為系統(tǒng)散熱性能不夠優(yōu)良導(dǎo)致恒流源電源性能下降，弓I起誤差增大。誤差存在 的原因主要是采樣電阻制作誤差，同時系統(tǒng)工作時采樣電阻發(fā)熱，阻值變化引起誤差。但總的看來，該電流源有較好的精度特性。 <3）步進(jìn)電流設(shè)定電流500mA測得步進(jìn)電流數(shù)據(jù)如表3.3和表3.4。第n次按“ +”12345678輸出電流IL(mA>502504506508510512514516In+1-I n(mA>2222

23、222表3.3步進(jìn)電流數(shù)據(jù)表3.4步進(jìn)電流數(shù)據(jù)二第n次按“-”12345678輸出電流IL(mA>498496494492490488486484In+1-I n(mA>-2-2-2-2-2-2-2測試結(jié)果分析：可實現(xiàn)步進(jìn)2mA滿足w 10mA勺基本要求。<4)改變負(fù)載電阻，輸出電壓在 10V以內(nèi)變化時，輸出電流值的情況。a、給定電流ld=200mA時，Id X 0.1 %+ 1mA= 1.2(mA>Id X 1%+ 10mA= 12(mA>表3.5給定電流200mA寸輸出電流數(shù)據(jù)負(fù)載電壓VL<V1.312.473.565.16.337.789.57輸出電流

24、IL(mA>200201200200199200200|IL-Id|(mA>0100110200mA時恒流特性20L 5201200, 5200199. 5199198. 50246負(fù)載電KVL(V)o1X2圖3.3200mA恒流特性圖b、給定電流 ld=1000mA時，Id X0.1 %+ 1mA2(mA>Id X 1%+ 10mA= 20(mA>表3.6給定電流1000mA寸輸出電流數(shù)據(jù)O0 8 6 4 2 0 8 6 4 0999998 8 8-W 9 999999 924681012負(fù)載電壓VL(V)負(fù)載電壓VL<V1.332.744.15.656.678

25、.119.63輸出電流IL(mA>9951006992990990988985|IL-Id|(mA>568101012151000mA時恒流特性圖3.41000mA恒流特性圖c、給定電流 Id=1800mA時，Id X0.1 %+ 1mA= 2.8(mA> Id X 1%+ 10mA= 28(mA>表3.7給定電流1800mA寸輸出電流數(shù)據(jù)負(fù)載電壓 VL<V0.94 2.13 3.85 5.11 6.51 7.65 9.1輸出電流 IL(mA>1808 1795 1790 1785 1785 1780 1780851015152020lSOOmASI恒誡持性11018051S001795179017851780177F員聯(lián)電壓VL (V)圖3.51800mA恒流特性圖測試結(jié)果分析：如圖3.5，負(fù)載電壓變化，給定電流在 200mA時，滿足發(fā)揮部分要求，恒流特性較理想。給