數(shù)控直流電流源(線性恒流源)

1、數(shù)控直流電流源摘要 : 本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)控直流電流源的方案，給出了硬件組成和軟件流程及源程序。以STC89C5單片機(jī)為核心控制電路，利用12位D/A模塊產(chǎn)生穩(wěn)定的控制電壓，12位A/D模塊完成電流 測(cè)量。輸出電流范圍為202000mA具有“ +” “-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)為1mA紋波電流小，LCD同 時(shí)顯示預(yù)置電流值和實(shí)測(cè)電流值，便于操作和進(jìn)行誤差分析。關(guān)鍵詞：STC89C5數(shù)控電流源Numerical Control DCCurrent SourceAbstract: This paper introduces a design scheme of numerical control DC

2、current source ,and gives the hardware composition and software flow as well as the source program. UseSTC89C52MCU as the core control circuit. 12 D/A module generates A steady the control voltage and 12 A/D module completes current measurements.The current-output ranges 20 to 2000mA,with "+&qu

3、ot; and "-" steppingfor 1mA adjustment function and small ripple current. LCD could show presets current value and the measured resultat the sametime,for easy operation and error analysis.Keywords:STC89C52 Numerical controlCurrent source1 設(shè)計(jì)方案的選擇1.1 電路綜合設(shè)計(jì)流程確定設(shè)計(jì)指標(biāo)圖1.1.1數(shù)控電流源電路設(shè)計(jì)流程圖1.2總體設(shè)計(jì)方

4、案經(jīng)初步分析設(shè)計(jì)要求，得出總體電路由以下幾部分組成：電源模塊，控制模塊（包括AD DA轉(zhuǎn)換）恒流源模塊，鍵盤模塊，顯示模塊。以下就各電路模塊給出設(shè)計(jì)方案。1.2.1控制部分方案方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制模塊。FPGA可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，穩(wěn)定性強(qiáng)， 易于調(diào)試和進(jìn)行功能擴(kuò)展。FPGA采用并行輸入輸出方式，處理速度高，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的 核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引腳較多，加大了硬件設(shè)計(jì)和實(shí)物制作的難度。方案二：采用單片機(jī)作為控制模塊核心。單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單，容易制作PCB算術(shù)功能強(qiáng)，軟件編程靈活、可以通過ISP方式將程序快速下載到芯片，方便的實(shí)現(xiàn)程序

5、的更新，自由度大，較好的 發(fā)揮C語言的靈活性，可用編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，同時(shí)其具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和 成本低等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨戏治?，選擇方案二,利用STC89C5單片機(jī)將電流步進(jìn)值或設(shè)定值通過換算由 D/A轉(zhuǎn)換，驅(qū) 動(dòng)恒流源電路實(shí)現(xiàn)電流輸出。輸出電流經(jīng)處理電路作A/D轉(zhuǎn)換反饋到單片機(jī)系統(tǒng)，通過補(bǔ)償算法調(diào)整電流的輸出,以此提高輸出的精度和穩(wěn)定性。在器件的選取中，D/A轉(zhuǎn)換器選用12位優(yōu)質(zhì)D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5618直接輸出電壓值，且其輸出電壓能達(dá)到參考電壓的兩倍， A/D轉(zhuǎn)換器選用高精度12數(shù)轉(zhuǎn)換芯 片 ADS7816 .1.2.2恒流源模塊設(shè)計(jì)方案 方案一：由三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器構(gòu)

6、成的恒流源。其典型恒流源電路圖如圖1.2.1所示。一旦穩(wěn)壓器選定，則 U是定值。若R固定不變，則I。不 變，因此可獲得恒流輸出。若改變 R值，可使輸出I。改變。因此將R設(shè)為數(shù)控電位器，則輸出電流 可以以某個(gè)步長(zhǎng)進(jìn)行改變。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，價(jià)格便宜，但是精密的大功率數(shù)控電位器難 購(gòu)買。3#圖1.2.1三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源框圖方案二：由數(shù)控穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源方案一是在U0不變的情況下，通過改變 R的數(shù)值獲得輸出電流的變化。如果固定R不變，若能改變U的數(shù)值，同樣也可以構(gòu)成恒流源，也就是說將上圖中的三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓源改為數(shù)控電壓 源，其工作原理和上圖類似。此方案原理清楚，若賽前培訓(xùn)過數(shù)

7、控電壓源的設(shè)計(jì)的話，知識(shí)、器件有 儲(chǔ)備，方案容易實(shí)現(xiàn)。但是，由1.2.2圖可知，數(shù)控穩(wěn)壓源的地是浮地，與系統(tǒng)不共地線，對(duì)于系統(tǒng) 而言，地線不便處理。ACPdfr' /'I-”產(chǎn)rr圖1.2.2數(shù)控電壓源構(gòu)成的恒流源框圖方案三：采用集成運(yùn)放的線性恒流源該恒流源輸出的電流與負(fù)載無關(guān)，通過使用兩塊構(gòu)成比較放大環(huán)節(jié)，功率管構(gòu)成調(diào)整環(huán)節(jié)，利用晶體管平坦的輸出特性和深度的負(fù)反饋電路可以得到穩(wěn)定的恒流輸出和高輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)了電壓一電流轉(zhuǎn)換。其原理框圖如圖1.2.3所示。vee4圖1.2.3集成運(yùn)放構(gòu)成的恒流源框圖綜合考慮，采用方案三，使用低噪音、高速寬帶運(yùn)放OP27BJ和達(dá)林頓管TIP122

8、構(gòu)成一個(gè)恒流源電路。1.2.3顯示模塊設(shè)計(jì)方案方案一：使用LED數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)。 但根據(jù)題目要求，如果需要同時(shí)顯示給定值和測(cè)量值， 需顯示的內(nèi)容較多，要使用多個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯 示，使電路變得復(fù)雜，加大了編程工作量。方案二：使用LCD顯示。LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示漢字?jǐn)?shù)字，分辨率高，抗 干擾能力強(qiáng)，功耗小，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。綜上所述，選擇方案二。采用12864漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊同時(shí)顯示電流給定值和實(shí)測(cè)值。1.2.4鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案方案一：采用獨(dú)立式按鍵電路，每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根I/O接口線,每個(gè)I/O 口的工作狀態(tài)互不

9、影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點(diǎn)為當(dāng)按鍵較多時(shí)占用單片機(jī)的I/O 口數(shù)目較多。方案二：采用標(biāo)準(zhǔn)4X4鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)按鍵較多時(shí)可降低 占用單片機(jī)的I/O 口數(shù)目，而且可以做到直接輸入電流值而不必步進(jìn)。題目要求可進(jìn)行電流給定值的設(shè)置和步進(jìn)調(diào)整，需要的按鍵比較多。綜合考慮兩種方案及題目要 求，采用方案二，方便進(jìn)行擴(kuò)展。1.2.5電壓源模塊設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)需要多個(gè)電源，單片機(jī)、A/D、D/A使用+5V穩(wěn)壓電源，運(yùn)放需要土 18V穩(wěn)壓電源，同時(shí)題目 要求最高輸出電流為2000mA電源需為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。綜上所述，采用三端穩(wěn)壓集成 7805、78H15 79H

10、15分別得+5V和土 12V的穩(wěn)定電壓，78H 79H 系列穩(wěn)壓器輸出電流可以達(dá)到 5A,能為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。利用該方法實(shí)現(xiàn)的電源電路簡(jiǎn) 單，工作穩(wěn)定可靠。1.3系統(tǒng)組成經(jīng)過方案比較與論證，最終確定系統(tǒng)的組成框圖如圖1.3.1所示圖1.3.1系統(tǒng)組成框圖2單元電路的設(shè)計(jì)2.1控制模塊電路設(shè)計(jì)2.1.1最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)通過鍵盤模塊輸入給定的電流值或是步進(jìn)調(diào)整信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)在接受到信號(hào)后進(jìn)行處 理運(yùn)算，并顯示其給定的電流值，然后經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換以輸出電壓，驅(qū)動(dòng)恒流源電路實(shí)現(xiàn)電流輸出，并將 采樣電阻上的電壓經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)系統(tǒng)，通過補(bǔ)償算法進(jìn)行數(shù)值補(bǔ)償處理，調(diào)整電流輸出，

11、 并驅(qū)動(dòng)顯示器顯示當(dāng)前的電流值。最小系統(tǒng)的核心為STC89C52為了方便單片機(jī)引腳的使用，我們將單片機(jī)的引腳用接口引出，電路如圖2.1.1所示：P0 口和P3.0P3.3是LCD接口； P1 口作為A/D與D/A轉(zhuǎn)換接口； P2 口為鍵盤 接口。vccPI JPl.2PLSPL4Pl.5PL6Pl.7RESETP3.0卩3.PJ 2P3.3PS 4P3 5PI 0C3IOLFP3 6(3> 7Cl：30 pF2M C2- 30pFvccp(.iPO.OPL2P0,lPLSP0,2Pl ,4P0_3Pi 5卩CMP! 6P0.5PL7P0t6RESETP0.7P3,0LAP3JALEP3.

12、2PSENP3 3P2.7P3,4P2_6P3.5P2.5P3 6P2.4137P2,3 -XTA L2P2.2XTALJP2_lvssP2.0SIC89C52VCC0poPOP0P0P0P0PO345h7bqGND圖2.1.1最小系統(tǒng)原理圖307(52.1.2 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)基本要求，電流的輸出范圍為200mAr 2000mA將最高輸出電流2000mA進(jìn)行十進(jìn)制二 進(jìn)制轉(zhuǎn)換有(2000)10 = (11111010000要滿足步進(jìn)為1mA的要求，需選用十二位的D/A轉(zhuǎn)換器，TLV5618是較好的選擇。TLV5618是帶有 緩沖基準(zhǔn)輸入(高阻抗)的雙路12位電壓輸出DAC。DAC輸

13、出電壓范圍可編程為基準(zhǔn)電壓的兩倍，其輸出電壓Vout=2 X VrefX D/4096有兩個(gè)輸出端口 A和B，且它們可以同步刷新。此外，該器件還包含 上電復(fù)位功能。通過3線串行總線可對(duì)TLV5618實(shí)現(xiàn)控制，可采用單5V電源進(jìn)行供電。在快速、 慢速模式下功耗分別為8mW和3mW，輸入數(shù)據(jù)的刷新率可達(dá)1.21MHz 。VCC12.1.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換采用BB公司的ADS7816勾成的轉(zhuǎn)換電路，如圖2.1.3。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(shí)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(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)

14、將此反饋信號(hào)與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號(hào)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(shí)，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(shí)際電流值。R9圖2.1.3 AD 轉(zhuǎn)換電路2.2恒流源電路設(shè)計(jì)恒流源電路的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，它采用電壓來控制電流的變化。為了能產(chǎn)生恒定的電流， 我們采用電壓閉環(huán)反饋控制。恒流源電路原理圖如圖2.2.1所示，該電路主要由運(yùn)算放大器、大功率 達(dá)林頓管、采樣電阻FS、負(fù)載FL等組成。取樣電阻RS從輸出端進(jìn)行取樣，再與基準(zhǔn)電壓比較，并將 誤差電壓放大后反饋到調(diào)整管，使輸出電壓在電網(wǎng)電壓變動(dòng)的情況下仍能保持穩(wěn)定。電路中調(diào)整管

15、采用大功率達(dá)林頓管TIP122,既能滿足輸出電流最大達(dá)到2A的要求，也能較好地實(shí)現(xiàn)電壓近似線性地 控制電流。RS選用熱穩(wěn)定性好的康銅絲，并選取較大值（2Q）,使得在電流較低時(shí)也能獲得較大的 電壓值。運(yùn)算放大器采用高精度的 OP27BJ作為電壓跟隨器。DAOUT卩為輸入電壓Ui,當(dāng)Ui 一定時(shí)， 運(yùn)算放大器的Ui=Us,I o=I l=I s=Ui/R s,即I o不隨R_的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)壓控恒流。由此得到恒流源輸出電流的大小為：I o= Ui/R s2.3鍵盤電路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，使用標(biāo)準(zhǔn)的4x4鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)09數(shù)字輸入，“ +”、“- ”步進(jìn)設(shè)置。其電路圖如圖2.3.1所示。圖2.3.1

16、鍵盤電路原理圖2.4顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用12864型漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（12X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRA）可顯示內(nèi)容為192列X 64行，還帶多種軟件功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。12864采用8位并行接法，與單片機(jī)P3和P4 口相連，用于顯示設(shè)定值與當(dāng)前測(cè)量值。其接口如 圖2.4.1所示。10GND圖2.4.1 LCD 顯示電路原理圖2.5穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中,運(yùn)放需土 15V供電，單片機(jī)需、A/D、D/A需+5V供電，采用三端穩(wěn)壓器7805、78H15 79H15構(gòu)

17、成一穩(wěn)壓電源，題目要求輸出電流范圍是200mAr2000mA而78H 79H系列穩(wěn)壓器輸出電流 最大可以達(dá)到5A,能為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。穩(wěn)壓電路如圖 2.5.1所示：考慮系統(tǒng)對(duì)功率要 求較高，所以在設(shè)計(jì)中選取了輸出功率 50W的變壓器，輸入電壓由變壓器和全波整流濾波電路產(chǎn)生。11#3軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)采用C語言，對(duì)STC89C52進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各種功能。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的控制。軟件實(shí)現(xiàn)的功能是： 控制鍵盤工作，確定電流步進(jìn)調(diào)整； 控制A/D、D/A工作，設(shè)置給定電流，測(cè)量輸出電流； 對(duì)反饋回單片機(jī)的電流值進(jìn)行補(bǔ)償處理； 驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示電流設(shè)置值與測(cè)量值。0:電流預(yù)

18、設(shè)值定位鍵1 :預(yù)設(shè)值相應(yīng)位加 12 :預(yù)設(shè)值相應(yīng)位減 1ADD+：實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電流為1mA的增加MINUS-:實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電流為 1mA的減少清除：清除當(dāng)前顯示數(shù)值確認(rèn)：使當(dāng)前鍵入的數(shù)值送系統(tǒng)處理圖3.1主程序流程圖恒流源模塊部分為純模擬電路，用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真，其中R3為負(fù)載電阻。整機(jī)電路 用Proteus軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如下所示：4.1模擬電路仿真4.1.1電流輸出范圍仿真輸入電壓值從最?。?0mV到最大（4V）變化，負(fù)載為圖 4.1.10時(shí)電流輸出范圍:電流輸岀范圍仿真圖（負(fù)載 0）4.1.2步進(jìn)調(diào)整仿真13輸入電壓值從最?。?0mV到最大（4V）變化，電壓每步進(jìn)2mV寸

19、，電流步進(jìn)1mA-WD- vce- DAQUT-應(yīng)吒E -3.9W00 OP2FBJVEE ：VW ；15VVDDF 15VlultiBDt«-II121999A_15V:W®：圖4.1.2 1mA 步進(jìn)電流輸出仿真圖（負(fù)載0）4.1.3 負(fù)載特性仿真（一）負(fù)載變化時(shí)，電流輸出范圍測(cè)試輸入電壓值從最?。?0mV到最大（4V）變化，負(fù)載為0時(shí)電流輸出范圍 （與圖4.1.1對(duì)比）：圖4.1.3電流輸岀范圍仿真圖（負(fù)載2K）7.冃I制I（二）負(fù)載變化時(shí)，輸出電流步進(jìn)調(diào)整測(cè)試輸入電壓值從最小（40mV到最大（4V）變化，電壓每步進(jìn)2mV寸，電流步進(jìn)1mA（與圖4.1.2對(duì)比）：VD

20、D:VW：tfDD"15V-MEE-15U :Iultiketc：r-in2 XR3時(shí).-vw 15¥VDD 一_沐W514圖4.1.4 1mA 步進(jìn)電流輸出值仿真圖（負(fù)載2K）（三）負(fù)載變化的恒流測(cè)試（仿真圖略）R( Q)20040060080010001200140016001800l(mA)(U=40mV)20.00320.00320.00220.00219.99819.99819.99819.99519.995I(A)(U=4V)2222221.9991.9991.999注：此次仿真中取負(fù)載變化范圍值為02K,實(shí)際負(fù)載范圍可以更廣4.4 整機(jī)電路仿真Proteus軟

21、件元件庫(kù)中元件有限，設(shè)計(jì)電路中的好多元件幾乎都沒有。仿真時(shí)用ATC89C52代替STC89C52用1602 （不能顯示漢字）代替 12864（Proteus中的12864沒有字庫(kù)），用TLC5615代替TLV5618用TLC549代替ADS7816仿真結(jié)果如下所示：4.5仿真結(jié)論從前四節(jié)的仿真圖對(duì)比可以看出：(1) 輸出電流范圍為20mA-2000mA步進(jìn)1mA(2) 可同時(shí)顯示電流預(yù)設(shè)值和測(cè)量值，測(cè)量電流誤差的絕對(duì)值w測(cè)量值的0.1 % +3個(gè)字；(3) 改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，電流變化的絕對(duì)值w輸出電流值的 0.1 % +1 mA(4) 紋波電流w 0.2mA綜上所述，本設(shè)計(jì)方案完全滿足任務(wù)要求。5心得體會(huì)在本次設(shè)計(jì)的過程中，遇到了許多困難和意料之外的事情，設(shè)計(jì)進(jìn)度比較慢。首先是控制部分方案問題，一剛開始設(shè)計(jì)的是采用MSP430F169為核心的單片機(jī)來做，因?yàn)槠鋬?nèi)自帶12位A/D、D/A,這樣就省去了在外圍電路設(shè)計(jì) A/D、D/A模塊了?？墒堑搅朔抡孢@一步