數控直流電流源(線性恒流源)

1、數控直流電流源摘要 : 本文設計了一種數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單片機為核心控制電路，利用12位D/A模塊產生穩(wěn)定的控制電壓，12位A/D模塊完成電流 測量。輸出電流范圍為202000mA具有“ +” “-”步進調整功能，步進為1mA紋波電流小，LCD同 時顯示預置電流值和實測電流值，便于操作和進行誤差分析。關鍵詞：STC89C5數控電流源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 設計方案的選擇1.1 電路綜合設計流程確定設計指標圖1.1.1數控電流源電路設計流程圖1.2總體設計方

4、案經初步分析設計要求，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計方案。1.2.1控制部分方案方案一：采用FPGA作為系統的控制模塊。FPGA可以實現復雜的邏輯功能，規(guī)模大，穩(wěn)定性強， 易于調試和進行功能擴展。FPGA采用并行輸入輸出方式，處理速度高，適合作為大規(guī)模實時系統的 核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引腳較多，加大了硬件設計和實物制作的難度。方案二：采用單片機作為控制模塊核心。單片機最小系統簡單，容易制作PCB算術功能強，軟件編程靈活、可以通過ISP方式將程序快速下載到芯片，方便的實現程序

5、的更新，自由度大，較好的 發(fā)揮C語言的靈活性，可用編程實現各種算法和邏輯控制，同時其具有功耗低、體積小、技術成熟和 成本低等優(yōu)點?；谝陨戏治?，選擇方案二,利用STC89C5單片機將電流步進值或設定值通過換算由 D/A轉換，驅 動恒流源電路實現電流輸出。輸出電流經處理電路作A/D轉換反饋到單片機系統，通過補償算法調整電流的輸出,以此提高輸出的精度和穩(wěn)定性。在器件的選取中，D/A轉換器選用12位優(yōu)質D/A轉換芯片TLV5618直接輸出電壓值，且其輸出電壓能達到參考電壓的兩倍， A/D轉換器選用高精度12數轉換芯 片 ADS7816 .1.2.2恒流源模塊設計方案 方案一：由三端可調式集成穩(wěn)壓器構

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設為數控電位器，則輸出電流 可以以某個步長進行改變。此電路結構簡單，調試方便，價格便宜，但是精密的大功率數控電位器難 購買。3#圖1.2.1三端集成穩(wěn)壓器構成的恒流源框圖方案二：由數控穩(wěn)壓器構成的恒流源方案一是在U0不變的情況下，通過改變 R的數值獲得輸出電流的變化。如果固定R不變，若能改變U的數值，同樣也可以構成恒流源，也就是說將上圖中的三端可調式集成穩(wěn)壓源改為數控電壓 源，其工作原理和上圖類似。此方案原理清楚，若賽前培訓過數

7、控電壓源的設計的話，知識、器件有 儲備，方案容易實現。但是，由1.2.2圖可知，數控穩(wěn)壓源的地是浮地，與系統不共地線，對于系統 而言，地線不便處理。ACPdfr' /'I-”產rr圖1.2.2數控電壓源構成的恒流源框圖方案三：采用集成運放的線性恒流源該恒流源輸出的電流與負載無關，通過使用兩塊構成比較放大環(huán)節(jié)，功率管構成調整環(huán)節(jié)，利用晶體管平坦的輸出特性和深度的負反饋電路可以得到穩(wěn)定的恒流輸出和高輸出阻抗，實現了電壓一電流轉換。其原理框圖如圖1.2.3所示。vee4圖1.2.3集成運放構成的恒流源框圖綜合考慮，采用方案三，使用低噪音、高速寬帶運放OP27BJ和達林頓管TIP122

8、構成一個恒流源電路。1.2.3顯示模塊設計方案方案一：使用LED數碼管顯示。數碼管采用BCD編碼顯示數字，對外界環(huán)境要求低，易于維護。 但根據題目要求，如果需要同時顯示給定值和測量值， 需顯示的內容較多，要使用多個數碼管動態(tài)顯 示，使電路變得復雜，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，方便的顯示漢字數字，分辨率高，抗 干擾能力強，功耗小，且設計簡單等特點。綜上所述，選擇方案二。采用12864漢字圖形點陣液晶顯示模塊同時顯示電流給定值和實測值。1.2.4鍵盤模塊設計方案方案一：采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根I/O接口線,每個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。缺點為當按鍵較多時占用單片機的I/O 口數目較多。方案二：采用標準4X4鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點是當按鍵較多時可降低 占用單片機的I/O 口數目，而且可以做到直接輸入電流值而不必步進。題目要求可進行電流給定值的設置和步進調整，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，方便進行擴展。1.2.5電壓源模塊設計方案系統需要多個電源，單片機、A/D、D/A使用+5V穩(wěn)壓電源，運放需要土 18V穩(wěn)壓電源，同時題目 要求最高輸出電流為2000mA電源需為系統提供足夠大的穩(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到 5A,能為系統提供足夠大的穩(wěn)定電流。利用該方法實現的電源電路簡 單，工作穩(wěn)定可靠。1.3系統組成經過方案比較與論證，最終確定系統的組成框圖如圖1.3.1所示圖1.3.1系統組成框圖2單元電路的設計2.1控制模塊電路設計2.1.1最小系統電路設計通過鍵盤模塊輸入給定的電流值或是步進調整信號傳送給單片機，單片機在接受到信號后進行處 理運算，并顯示其給定的電流值，然后經 D/A轉換以輸出電壓，驅動恒流源電路實現電流輸出，并將 采樣電阻上的電壓經過 A/D轉換輸入單片機系統，通過補償算法進行數值補償處理，調整電流輸出，

11、 并驅動顯示器顯示當前的電流值。最小系統的核心為STC89C52為了方便單片機引腳的使用，我們將單片機的引腳用接口引出，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最小系統原理圖307(52.1.2 D/A轉換電路設計根據設計基本要求，電流的輸出范圍為200mAr 2000mA將最高輸出電流2000mA進行十進制二 進制轉換有(2000)10 = (11111010000要滿足步進為1mA的要求，需選用十二位的D/A轉換器，TLV5618是較好的選擇。TLV5618是帶有 緩沖基準輸入(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電壓的兩倍，其輸出電壓Vout=2 X VrefX D/4096有兩個輸出端口 A和B，且它們可以同步刷新。此外，該器件還包含 上電復位功能。通過3線串行總線可對TLV5618實現控制，可采用單5V電源進行供電。在快速、 慢速模式下功耗分別為8mW和3mW，輸入數據的刷新率可達1.21MHz 。VCC12.1.3 A/D 轉換電路設計A/D轉換采用BB公司的ADS7816勾成的轉換電路，如圖2.1.3。ADS7816是 12位串行模/數轉換 器，采樣頻率高達200kHz,轉換所需時間短，轉換精度高。ADS7816專換器將采樣電阻上的電壓轉換 成數字信號反饋給單片機，單片機

14、將此反饋信號與預置值比較，根據兩者間的差值調整輸出信號大小。 這樣就形成了反饋調節(jié)，提高輸出電流的精度。同時，A/D采樣回來的電流經過單片機處理傳送到 LCD 可以顯示當前的實際電流值。R9圖2.1.3 AD 轉換電路2.2恒流源電路設計恒流源電路的設計是本系統設計的核心，它采用電壓來控制電流的變化。為了能產生恒定的電流， 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，該電路主要由運算放大器、大功率 達林頓管、采樣電阻FS、負載FL等組成。取樣電阻RS從輸出端進行取樣，再與基準電壓比較，并將 誤差電壓放大后反饋到調整管，使輸出電壓在電網電壓變動的情況下仍能保持穩(wěn)定。電路中調整管

15、采用大功率達林頓管TIP122,既能滿足輸出電流最大達到2A的要求，也能較好地實現電壓近似線性地 控制電流。RS選用熱穩(wěn)定性好的康銅絲，并選取較大值（2Q）,使得在電流較低時也能獲得較大的 電壓值。運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Ui 一定時， 運算放大器的Ui=Us,I o=I l=I s=Ui/R s,即I o不隨R_的變化而變化，從而實現壓控恒流。由此得到恒流源輸出電流的大小為：I o= Ui/R s2.3鍵盤電路設計在設計中，使用標準的4x4鍵盤，可以實現09數字輸入，“ +”、“- ”步進設置。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顯示電路設計本設計采用12864型漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（12X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRA）可顯示內容為192列X 64行，還帶多種軟件功能：光標顯示、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P3和P4 口相連，用于顯示設定值與當前測量值。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)壓電源設計在本設計中,運放需土 15V供電，單片機需、A/D、D/A需+5V供電，采用三端穩(wěn)壓器7805、78H15 79H15構

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 最大可以達到5A,能為系統提供足夠大的穩(wěn)定電流。穩(wěn)壓電路如圖 2.5.1所示：考慮系統對功率要 求較高，所以在設計中選取了輸出功率 50W的變壓器，輸入電壓由變壓器和全波整流濾波電路產生。11#3軟件設計軟件設計采用C語言，對STC89C52進行編程實現各種功能。軟件設計的關鍵是對A/D、D/A轉換器的控制。軟件實現的功能是： 控制鍵盤工作，確定電流步進調整； 控制A/D、D/A工作，設置給定電流，測量輸出電流； 對反饋回單片機的電流值進行補償處理； 驅動液晶顯示器顯示電流設置值與測量值。0:電流預

18、設值定位鍵1 :預設值相應位加 12 :預設值相應位減 1ADD+：實現步進電流為1mA的增加MINUS-:實現步進電流為 1mA的減少清除：清除當前顯示數值確認：使當前鍵入的數值送系統處理圖3.1主程序流程圖恒流源模塊部分為純模擬電路，用Multisim軟件進行電路仿真，其中R3為負載電阻。整機電路 用Proteus軟件進行仿真。仿真結果如下所示：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小（40mV到最大（4V）變化，負載為圖 4.1.10時電流輸出范圍:電流輸岀范圍仿真圖（負載 0）4.1.2步進調整仿真13輸入電壓值從最?。?0mV到最大（4V）變化，電壓每步進2mV寸

19、，電流步進1mA-WD- vce- DAQUT-應吒E -3.9W00 OP2FBJVEE ：VW ；15VVDDF 15VlultiBDt«-II121999A_15V:W®：圖4.1.2 1mA 步進電流輸出仿真圖（負載0）4.1.3 負載特性仿真（一）負載變化時，電流輸出范圍測試輸入電壓值從最小（40mV到最大（4V）變化，負載為0時電流輸出范圍 （與圖4.1.1對比）：圖4.1.3電流輸岀范圍仿真圖（負載2K）7.冃I制I（二）負載變化時，輸出電流步進調整測試輸入電壓值從最小（40mV到最大（4V）變化，電壓每步進2mV寸，電流步進1mA（與圖4.1.2對比）：VD

20、D:VW：tfDD"15V-MEE-15U :Iultiketc：r-in2 XR3時.-vw 15¥VDD 一_沐W514圖4.1.4 1mA 步進電流輸出值仿真圖（負載2K）（三）負載變化的恒流測試（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：此次仿真中取負載變化范圍值為02K,實際負載范圍可以更廣4.4 整機電路仿真Proteus軟

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