電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)第3章

1、3.1 音頻功率放大器及其測試電路3.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)并制作一個高效率音頻功率放大器及其參數(shù)的測量、顯示裝置。功率放大器的電源電壓為+5V(電路其他部分的電源電壓不限)，負(fù)載為8電阻。具體要求如下：1) 功率放大器a3dB通頻帶為3003400Hz，輸出正弦信號無明顯失真。b最大不失真輸出功率1W。c輸入阻抗10k，電壓放大倍數(shù)120連續(xù)可調(diào)。d低頻噪聲電壓(20kHz以下)10mV，在電壓放大倍數(shù)為10，輸入端對地交流短路時測量。e在輸出功率500mW時測量的功率放大器效率(輸出功率/放大器總功耗)50%。2) 設(shè)計(jì)并制作一個放大倍數(shù)為1的信號變換電路，將功率放大器雙端輸出的信號轉(zhuǎn)換為

2、單端輸出，經(jīng)RC濾波供外接測試儀表用。 3) 設(shè)計(jì)并制作一個測量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5%。3.1.2 方案論證與比較根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由以下幾部分組成：功率放大電路、信號變換電路、功率測量與顯示電路。系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。3.1.2 方案論證與比較外加穩(wěn)壓電源部分實(shí)現(xiàn)對各部分供電。其中功率放大電路完成對小功率音頻信號的功率放大，由于功放輸出的是一種差分信號，要實(shí)現(xiàn)對其功率參數(shù)的測量必須外加一個信號變換電路實(shí)現(xiàn)雙端信號到單端信號的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號通過RC濾波網(wǎng)絡(luò)后，便可接入各種測試電路。為了實(shí)現(xiàn)對功放輸出功率的測量，采用集成運(yùn)放構(gòu)成的精密整流電路。

3、3.1.2 方案論證與比較1.功率放大器根據(jù)題目要求，功率放大器的電源電壓為+5V，采取單電源供電，采用OTL進(jìn)行功率放大。由于設(shè)計(jì)要求最大輸功率1W，如果采用平常OTL功率放大器件，輸出功率達(dá)不到1W。要滿足輸出最大功率大于1 W，通常有下列幾種方案可供選擇。3.1.2 方案論證與比較方案一：OCL或OTL功率放大。該方案可以采用OCL電路，但是它需要兩組對稱的正負(fù)電源供電。如果采用OTL電路，雖然能夠采用單電源供電，但在電源電壓為5V的條件下，Pomax=(VCC/2)2/(2Rl)=25/(88)W=0.39W，輸出功率達(dá)不到要求。3.1.2 方案論證與比較方案二：BTL功率放大。無論是

4、OCL功率放大電路還是OTL功率放大電路，在負(fù)載一定的條件下，其輸出功率都由直流電源決定。直流電源電壓確定后，電路輸出的最大功率也就確定了，要進(jìn)一步提高輸出功率存在一定的困難，要解決這個問題，可以采用平衡推挽功率放大電路，即BTL電路。3.1.2 方案論證與比較BTL電路是采用兩個特性完全相同的OCL或OTL電路，將負(fù)載加在兩個電路的輸出端之間。靜態(tài)時，由于兩個電路輸出的直流電位相等，負(fù)載兩端沒有直流電壓，也沒有直流電流。在兩個電路的輸入端分別加上一組大小相等、相位相反的信號電壓，由于兩個電路電壓放大倍數(shù)相等，故它們的輸出端對地電位大小相等、方向相反，即，所以，。即在電路其他參數(shù)相同的情況下，

5、BTL電路輸出電壓是單個OTL電路輸出電壓的2倍，從而使BTL電路輸出功率可為OTL電路的4倍，即Pomax =4Po1max=1.56W，可滿足設(shè)計(jì)要求。3.1.2 方案論證與比較方案三：采用D類放大方式進(jìn)行功率放大。該方案實(shí)現(xiàn)低頻功率放大的基本原理是：小信號經(jīng)過變壓器耦合控制兩個晶體管的導(dǎo)通與截止，從而起到開關(guān)的作用，使得輸出信號近似成為一個方波，再經(jīng)過低通濾波器得到相應(yīng)頻率的大信號。D類放大由于晶體管導(dǎo)通時間最短，所以損耗小，而輸出功率大。3.1.2 方案論證與比較方案確定：由于OTL功率放大電路雖具有電路簡單等一系列的優(yōu)點(diǎn)，但其輸出功率達(dá)不到規(guī)定的要求。D類放大晶體管導(dǎo)通時間短、損耗小

6、、輸出功率大，但是此方法電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對PWM的控制不易掌握，加上我們對用開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)低頻功率放大不熟悉，故我們難以采用此方案。BTL功率放大電路的頻帶寬、噪聲小、輸出功率高，有利于提高功放的效率，基本能夠滿足題目要求，故本設(shè)計(jì)采用方案二。3.1.2 方案論證與比較常見的BTL功放有以下兩種類型：a由LM386所組成的BTL功率放大器。此功率放大器放的放大倍數(shù)可通過電阻RP進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，放大倍數(shù)最大可達(dá)至200。但其通頻帶較窄，一般為10kHz，不易達(dá)到20kHz，不能滿足發(fā)揮部分要求。3.1.2 方案論證與比較b采用TDA2822構(gòu)成高效功率放大器，如圖3-2所示。TDA2822芯片有較高

7、效率，外圍電路簡單，只需外加幾個電阻、電容即可構(gòu)成一個性能很好的功率放大器，在理想情況下，TDA2822輸入阻抗可達(dá)100k，放大增益最大可到40dB，其噪聲電壓也只有3V左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過題目要求。經(jīng)比較，本設(shè)計(jì)采用TDA2822構(gòu)成BTL電路。3.1.2 方案論證與比較2信號變換電路方案一：采用分立元件如參數(shù)大小相同的晶體管差分電路構(gòu)成信號變換電路。 方案二：采用集成運(yùn)放構(gòu)成差分放大器信號變換電路。3.1.2 方案論證與比較方案確定：根據(jù)題目要求，信號變換電路將實(shí)現(xiàn)信號雙端輸入變?yōu)閱味溯敵觯瑢?shí)現(xiàn)方案如圖3-3所示。3.1.2 方案論證與比較輸入信號接在運(yùn)放的同相端。電路前級為同相差動放大結(jié)構(gòu)，

8、要求兩個運(yùn)放的性能完全相同。電路除具有差模、共模輸入阻抗大的優(yōu)點(diǎn)外，兩運(yùn)放的共模增益、失調(diào)及其漂移產(chǎn)生的誤差也相互抵消，因而不需精密匹配電阻，電路后級的作用是抑制共模信號，并將雙端輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閱味溯敵?。但它的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，增益需要調(diào)節(jié)才能滿足要求。實(shí)際測量中我們發(fā)現(xiàn)，運(yùn)放同相輸入時，其阻抗很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于8負(fù)載，對輸入信號影響很小。因此可將前面的同相放大電路去掉，只用一個運(yùn)放進(jìn)行信號變換，同樣能滿足題目中的要求，如圖3-4所示。3.1.2 方案論證與比較3功率測量與顯示裝置為了提高測量精度并便于顯示測量結(jié)果。系統(tǒng)采用ADC0809對電壓信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后送單片機(jī)進(jìn)行處理，顯示輸出功率數(shù)值。但

9、是由于前端輸出為交流的電壓量，為了能夠測量，應(yīng)先對交流量進(jìn)行精密整流。因此，該測量裝置由精密整流和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與顯示電路組成。3.1.2 方案論證與比較(1)整流電路方案一：用二極管直接整流。二極管整流器可以將一個交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流信號，其電路原理簡單，制作容易。但由分析可知，只有當(dāng)二極管的正向電壓降大于0.3V（鍺管）或0.7V（硅管）時，二極管才能導(dǎo)通，所以二極管不適用于小信號整流。3.1.2 方案論證與比較方案二：集成運(yùn)放全波整流。本方案采用集成運(yùn)放構(gòu)成反相全波整流，如圖3-5所示。其前一部分是半波整流電路，當(dāng)輸入信號為正時，反饋回路中的全部的電流都通過VD1，而電路的輸出為0；

10、當(dāng)輸入信號為負(fù)時，反饋回路的電流通過VD2，從而輸出電壓(即R2上的電壓)是輸入電壓的反相，由于運(yùn)放有很高的增益，因此只要有一個很小的負(fù)的輸入電壓就足以使VD2導(dǎo)通，這樣即可實(shí)現(xiàn)精密的半波整流，再將半波整流器的輸入電壓和輸出電壓相加就構(gòu)成了小信號全波整流器。 3.1.2 方案論證與比較方案確定：方案一盡管電路簡單，但是一般二極管的工作頻率不能太高，且二極管有管壓降，輸出電壓會產(chǎn)生誤差。方案二是采用集成運(yùn)放全波整流，使得輸入阻抗增加，負(fù)載對輸入信號影響小，二極管采用4148，頻率可達(dá)到20kHz，產(chǎn)生誤差小，所以采用方案二。3.1.2 方案論證與比較(2)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與功率顯示電路設(shè)計(jì)方案一：

11、采用ICL7107集成芯片測負(fù)載兩端電壓，通過功率計(jì)算間接得到得功率數(shù)值。根據(jù)公式，只要對負(fù)載兩端信號電壓先通過一個模擬乘法器得到，再通過比例放大電路衰減1/8，此時ICL7107可以測得負(fù)載兩端的電壓，從而間接反映負(fù)載兩端的待測功率。 3.1.2 方案論證與比較方案二：采用A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)與功率顯示部分構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。將精密整流輸出的直流信號通過8位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809送入單片機(jī)89C51，根據(jù)公式P=(D5/256)2/81000mW(其中D為數(shù)字量，代表A/D轉(zhuǎn)化值)，通過軟件編程對D值進(jìn)行計(jì)算或查表即可得到與電壓對應(yīng)的功率，同時可利用仿真機(jī)AEDK51W進(jìn)行仿真以驗(yàn)證程序的

12、正確性。3.1.2 方案論證與比較方案確定：根據(jù)題目要求功率測量誤差須優(yōu)于5%，如果采用方案一，其原理雖然可行，但用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)的平方電路精度不高，誤差過大，并且調(diào)試比較復(fù)雜，故選擇方案二。通過程序處理可實(shí)現(xiàn)對功率的間接精確測量。此外，使用單片機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)可以便于對功率表的功能進(jìn)行任意擴(kuò)展，增加該測試儀器的通用性。該部分的系統(tǒng)框圖如圖3-6所示。3.1.2 方案論證與比較4.直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案一：采用開關(guān)穩(wěn)壓電源。使用開關(guān)穩(wěn)壓器后，輸入電壓范圍大大展寬，可獲得較大的輸出電流，電源效率較高。方案二：采用小功率直流穩(wěn)壓電路。主要包括變壓器、整流橋、電容濾波和集成穩(wěn)壓塊等。雖然集成穩(wěn)壓塊的電源

13、利用率不高，但是穩(wěn)壓效果較好，能夠?qū)崿F(xiàn)較小的紋波系數(shù)，可以滿足各部分供電的要求，且成本較低，電路簡單，易于裝配。3.1.2 方案論證與比較方案確定：由于開關(guān)電源電路比較復(fù)雜，故成本較高。雖然題目沒有給電源提出特殊要求，但由于該電源需要向單片機(jī)等集成芯片供電，同時為ADC0809提供參考電壓，故需要一定的電源穩(wěn)定性，而電源效率不是要考慮的主要因素，故采用方案二供電，電路如圖3-7所示。萬一輸入端短路，大電容放電會使穩(wěn)壓塊由于反電流沖擊而損壞，加穩(wěn)壓二極管可使反相電流流向輸入端起到保護(hù)作用。3.1.3 理論分析與計(jì)算1功率放大電路設(shè)管壓降為Uces，電源電壓為US，負(fù)載為RL。當(dāng)Us=5V，RL=

14、8時，則Po=。在理想情況下，即Uces=0時，P0=(25/16)W=1.56W，而實(shí)際上Uces一般有1V左右，Po=(16/16)W=1W，剛好能滿足題目要求。功率放大電路如圖3-8所示。3.1.3 理論分析與計(jì)算由于設(shè)計(jì)要求輸入阻抗大于10k，放大倍數(shù)為120連續(xù)可調(diào)，但在實(shí)測中我們發(fā)現(xiàn)，其輸入阻抗大約只有5 k左右，不能滿足題目要求，為此可以在輸入信號與功率放大器之間加一同相運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離，防止功放與輸入信號的相互影響，同時也可提高輸入阻抗。根據(jù)要求輸入阻抗大于10 k，則此時電阻R1的取值應(yīng)大于10 k，但不能太大，否則會衰減輸入信號。由于TDA2822放大倍數(shù)大約為100，能

15、夠滿足題目中最高放大倍數(shù)20的要求。而過大的信號，會使波形嚴(yán)重失真，這樣就應(yīng)在輸入端通過電阻分壓。同時，由于電源可能不穩(wěn)，在電源US邊上并聯(lián)一個1000F的大電容，用于吸收電源的高頻和交流分量，使+5V電源更加穩(wěn)定。而且TDA2822的1、3兩輸出端口輸出壓降可能會因電路不對稱而不同，這樣在空載時也會有壓降，這主要是由于其中的直流成分引起，為此在兩端分別串接220F的大電容，濾去直流分量，減少發(fā)熱量。3.1.3 理論分析與計(jì)算同時TDA 2822內(nèi)部為兩個功率放大反相相連，容易產(chǎn)生自激振蕩，只需在輸出端分別旁路兩個小電容即可防止產(chǎn)生自激振蕩，對其值要求不是太嚴(yán)，只需防止自激即可，這里取0.01

16、F。3.1.3 理論分析與計(jì)算2信號變換電路采用電路見圖3-4。從其電路結(jié)構(gòu)可知，這是一種差動放大器，對電路差動電壓放大倍數(shù)的計(jì)算公式如式(3-1)所示。Uo= RF/R1(Vi1Vi2) (3-1)由式(3-1)得其增益表達(dá)式為 Av= RF/R13.1.3 理論分析與計(jì)算調(diào)整各電阻的阻值，可完成放大倍數(shù)為1的由雙端信號到單端信號的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)要求整個信號變換電路Av=1，則有當(dāng)RF = R1時，Av=1。3.1.3 理論分析與計(jì)算3功率測量與顯示裝置為了提高精度，此處采用ADC采集直流電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送單片機(jī)89C51處理得到電壓值，因?yàn)樨?fù)載電阻RL=8不變，此時 P= U2 /RL

17、，功率與電壓值一一對應(yīng)，則可建立一張功率與電壓對應(yīng)表。知道電壓值后，只需通過查表方法即可得相應(yīng)功率值。在ADC0809設(shè)計(jì)時，保留了4個輸入通道，現(xiàn)在，一個用于檢測功率放大器的電壓輸出，另外3個用于擴(kuò)展功能。3.1.3 理論分析與計(jì)算由于本系統(tǒng)主要是提高功放的效率，所以如果能檢測并顯示功放的效率是很有用的。為此，系統(tǒng)留了一個通道用于檢測功放效率。因?yàn)樾?Po/Ps。 其中Po為輸出功率，Ps為總功率，且：Po=，Ps=USI。3.1.3 理論分析與計(jì)算綜上所述，要測效率則需測量功放的工作電流。只需功放接地端串入一個標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行電壓取樣，這樣就可得到電流I，進(jìn)而可得到總功率，再用輸出功率除以總

18、功率即可得出效率，還可顯示出來。如果輸出端短路，則將產(chǎn)生一個很大的電流，這時功放將發(fā)熱很厲害，甚至可能燒壞芯片。因此，可以設(shè)計(jì)一個輸出短路保護(hù)功能。輸出短路保護(hù)功能設(shè)計(jì)時，在負(fù)載電阻的前面串接了一個小電阻，從小電阻上取電壓經(jīng)過一比較器，當(dāng)電壓大于某一值時，就發(fā)出一個脈沖送入單片機(jī)，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷，執(zhí)行一個程序后可將串接在負(fù)載上的互感器斷開，同時報警，達(dá)到短路保護(hù)的作用。3.1.3 理論分析與計(jì)算單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理顯示程序流程圖如圖3-9所示。3.1.4 調(diào)試據(jù)前面所提方案，調(diào)試過程分為功率放大、信號變換、測量3個獨(dú)立模塊進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試。每個模塊調(diào)試成功后，再進(jìn)行整體調(diào)試。1.功率放大此步調(diào)試時

19、主要注意所接電容是否合理，輸入電壓大小如何，可用示波器觀察輸出波形，如能得到穩(wěn)定的不失真正弦波形，則可以通過調(diào)試。2.信號變換注意檢查運(yùn)放的電源地是否接牢、各電阻值是否恰當(dāng)，然后用示波器同時觀察輸入、輸出波形，然后微調(diào)反饋電阻，使增益AV=1。3.1.4 調(diào)試3.測量裝置調(diào)試用示波器進(jìn)行觀察輸出信號是否為半波正弦，調(diào)試好整流部分，然后調(diào)試顯示部分。先將最小系統(tǒng)板和顯示電路焊接好，可先設(shè)計(jì)一個簡單的8字循環(huán)程序看顯示部分硬件是否正確，然后裝上A/D轉(zhuǎn)換器看能否得出正確結(jié)果，調(diào)試中可用ADEK-51單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)幫助調(diào)試。3.1.5 數(shù)據(jù)測試1測量環(huán)境 室溫：24 日期： 年 月 日2測試儀器儀

20、器 名 稱型 號 規(guī) 格數(shù) 字 萬 用 表M8900雙 蹤 示 波 器HITACHE OSCILLOSCIPE V-252 20MHz信 號 發(fā) 生 器GW FUNCTIONGENERATOR (MODEL：GFG-8016G)數(shù) 字 毫 伏 表AS2173 AC MILLIVOLT METER(5Hz2MHz)3.1.5 數(shù)據(jù)測試3. 測試結(jié)果1)通頻帶。在-3dB通頻帶為30Hz20kHz，且波形無失真。2)該電路為音頻放大電路，令f=1kHz時，通過調(diào)整放大器輸入端的衰減比例系數(shù)以及輸入信號的幅值，可使輸出功率達(dá)到0.8W，輸出的正弦信號開始失真，繼續(xù)增大輸出功率至1W時，輸出失真稍大。

21、3)測量輸入阻抗。調(diào)節(jié)輸入電壓的峰值為1V時，用毫伏表測量信號變換輸出端的電壓為2.4V。保持輸入電壓不變，在入口處串一10k電阻，測得輸出電壓為1.9V。通過計(jì)算公式：2.4V/1.9V=(10k+r)/r 解得 r=38k。放大倍數(shù)025可調(diào)。 3.1.5 數(shù)據(jù)測試4)噪聲電壓。調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)為10后，使輸入端對地交流短路，分別測量在f=300Hz，1kHz，20kHz時，低頻噪聲電壓均小于4mV。5)在輸出功率為500mW時，測得功率放大器的電流為0.20A，則功放效率為：500mW/(0.20A5V)=50%，基本滿足要求。單片機(jī)系統(tǒng)可實(shí)時測量放大器輸出功率，并顯示輸出。平均誤差小于

22、5%。輸出功率保持為200mW，將放大倍數(shù)調(diào)高，并降低電源電壓，最低可達(dá)3.2V，直流電源電流為110mA。則效率是200mW/(110mA3.2V)=58.2%。6)輸出短路保護(hù)。可在負(fù)載旁串聯(lián)一小電阻，作為測流電阻，經(jīng)過信號變換后，送入單片機(jī)，由其控制串在放大電路中的繼電器，實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)功能。3.1.5 數(shù)據(jù)測試綜上所述，該系統(tǒng)能夠基本滿足題目要求，具有低噪聲、高頻寬、放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)，且效率較高，作為本題目的測試部分的單片機(jī)系統(tǒng)不但可以滿足要求，還留有擴(kuò)展接口，以備它用。例如：可以監(jiān)測功放部分的電流值，進(jìn)而計(jì)算效率；還可以監(jiān)測負(fù)載的電流，進(jìn)行過電流保護(hù)等。 3.2 數(shù)控直流電流源

23、3.2.1 任務(wù)書設(shè)計(jì)并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流200240V，50Hz；輸出直流電壓10V。其原理示意圖3-10所示。3.2.1 任務(wù)書1.基本要求1)輸出電流范圍：2002000mA。2)可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值 給定值的1+10 mA。3)具有”+”、”-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn) 10mA。4)改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時,要求輸出電流變化的絕對值 輸出電流值的1+10 mA。5)紋波電流 2mA。6)自制電源。3.2.1 任務(wù)書2.發(fā)揮部分1)輸出電流范圍為202000mA，步進(jìn)1mA。2)設(shè)計(jì)、制作測量并顯示輸出電流的裝置 (可同時或交

24、替顯示電流的給定值和實(shí)測值)，測量誤差的絕對值測量值的0.1+3個字。3)改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的0.1+1 mA。4)紋波電流0.2mA。5)其他。注意：1)需留出輸出電流和電壓測量端子。2)輸出電流可用高精度電流表測量。如果沒有高精度電流表，可在采樣電阻上測量電壓換算成電流；3)紋波電流的測量可用低頻毫伏表測量輸出紋波電壓，換算成紋波電流。3.2.2 方案論證與比較1.恒流源構(gòu)成器件的選擇與比較方案一：簡單實(shí)用的恒流源可以由一個穩(wěn)壓源和一個電阻構(gòu)成，如圖3-11所示。但當(dāng)要求的恒流值稍大、負(fù)載變化范圍較寬且恒流精度較高時，這種方法就失去

25、其實(shí)用價值。為了獲得高精度、寬范圍、大電流的恒流源，必須另找途徑。3.2.2 方案論證與比較方案二：用恒流器件構(gòu)成恒流源。恒流器件的伏安特性如圖3-12所示，即在它的ab段內(nèi)，通過其中的電流和它兩端的電壓變化幾乎無關(guān)時，就可利用它來構(gòu)成恒流源；在工作點(diǎn)Q處，Uo在較大范圍內(nèi)變化時，只引起Io極小的變化，即等效電阻(或動態(tài)電阻) 很大。但是該處的直流電阻RD=Uo/Io較小，無需很高的電源電壓，這正是要求的理想恒流器件。鎮(zhèn)流管、半導(dǎo)體恒流管、電子管、晶體管等都具有圖3-12所示的伏安特性。例如用一個穩(wěn)定的或非穩(wěn)定的直流電壓源和一個硅恒流二極管就可構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)簡單、性能良好的恒流源。 3.2.2

26、方案論證與比較和方案一不同，方案二的供電電源可以是未經(jīng)穩(wěn)定的直流電壓源，允許輸入電壓在較大范圍內(nèi)變化。該方案電路簡單，使用方便；但鎮(zhèn)流管的恒流工作范圍很窄，穩(wěn)流性能也不太好，半導(dǎo)體恒流二極管的最大電流只有6mA，半導(dǎo)體恒流晶體管的恒流性能與恒流二極管差別不大，所以該方案無法達(dá)到精度或輸出電流范圍的要求。 3.2.2 方案論證與比較方案三：用負(fù)反饋放大器構(gòu)成恒流源。利用電流串聯(lián)負(fù)反饋提高放大器的輸出阻抗，如圖3-13所示，RL，Rf分別為負(fù)載電阻和負(fù)反饋電阻，Us為穩(wěn)定電壓。設(shè)Io為輸出電流，則反饋電壓Uf=IoRf，放大器輸出電壓Eo=Io(RL+Rf)，而放大器輸入電壓為： (3-2)式(3

27、-2)中為放大器的電壓增益。考慮到放大器輸入電壓和反饋電壓的關(guān)系，則有： (3-3)可以利用式(3-3)求得輸出電流為 (3-4)式(3-4)的相當(dāng)于電壓為KAUs的一個電源內(nèi)阻。一般情況下，增益KA1，即有 (1+KA) RfKARfRL。 3.2.2 方案論證與比較于是，也就是說，輸出電流與和負(fù)載電阻變化無關(guān)，因而圖3-13是一個恒流源電路。這種方法條理清晰，控制方便，易于數(shù)字化用單片機(jī)處理，所以我們選擇該方案作為設(shè)計(jì)的總體方案。3.2.2 方案論證與比較2.調(diào)整元件工作方式的選擇與比較我們已經(jīng)選擇用負(fù)反饋放大器構(gòu)成恒流源，而其后端的調(diào)整元件的工作方式可以有以下3種方案：3.2.2 方案論

28、證與比較方案一：開關(guān)調(diào)整型恒流源，如圖3-14所示，電源Ui(交流或直流)通過開關(guān)S和濾波回路向負(fù)載提供電流。這個電流也流過標(biāo)準(zhǔn)電阻RS，而放大器A將RS上的電壓降IogRS和基準(zhǔn)電壓US比較，并對電子開關(guān)S進(jìn)行控制以保持輸出電流Io的穩(wěn)定。3.2.2 方案論證與比較方案二：連續(xù)調(diào)整型恒流源，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-15所示，其中A是放大器，它的一個輸入端接基準(zhǔn)電壓US，另一個輸入端加入反饋電壓IogRS，由于放大器的作用，最終使輸出電流在標(biāo)準(zhǔn)電阻RS上的壓降和基準(zhǔn)電壓近似相等，因此得到，由此可見，連續(xù)調(diào)整型恒流源的輸出電流僅由基準(zhǔn)電壓和標(biāo)準(zhǔn)電阻決定，而與電源電壓和負(fù)載變化無關(guān)。 3.2.2 方案

29、論證與比較方案三：組合調(diào)整型恒流源，如圖3-16所示。它將前兩種方案結(jié)合起來，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，即在開關(guān)調(diào)整穩(wěn)壓電路后緊接連續(xù)調(diào)整型恒流源電路。這樣一來，開關(guān)電路輸出的脈沖紋波經(jīng)后接的連續(xù)調(diào)整電路調(diào)整后，最終輸出的電流十分穩(wěn)定，但系統(tǒng)也更加復(fù)雜。3.2.2 方案論證與比較3種方案的比較：連續(xù)調(diào)整型恒流源電路的穩(wěn)定性能(即恒流性能)較好，電路比較簡單但其輸出容量不大；開關(guān)調(diào)整型恒流源因輸出容量大，其調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，效率明顯提高，但輸出紋波較大，所以恒流性能不好；組合調(diào)整型恒流源可以結(jié)合上述兩者的優(yōu)點(diǎn)，而克服兩者的缺點(diǎn)。3.2.2 方案論證與比較通過對本題的分析可知，所要求的輸出容量并不大，

30、在20W以下，所以可以不用考慮，而本題要求紋波電流小于0.2mA，所以不宜采用方案一；方案三雖然各項(xiàng)指標(biāo)都比較好，但其電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，電路調(diào)試和控制程序調(diào)試將顯得非常繁瑣；所以我們選擇方案二，其電路結(jié)構(gòu)相對簡單，便于調(diào)試，恒流性能和紋波電流指標(biāo)也都能滿足本題要求。3.2.2 方案論證與比較3.微處理器的選擇與比較本題要求制作的直流電流源是數(shù)控式的，可以顯示輸出電流的給定值以及實(shí)際測量值，因此必然要結(jié)合微處理器，并且通過微處理器的控制作用對輸出電流進(jìn)行精確校正。常用的微處理器有8086、單片機(jī)、數(shù)字信號處理器(DSP)或復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)等。DSP實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)復(fù)雜，超過了自己的知識

31、范圍。復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)具有速度快的特點(diǎn)，但其實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，且做到友好的人機(jī)界面也不太容易。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)較容易，并且具有一定的可編程能力，對于本題足以勝任。3.2.2 方案論證與比較單片機(jī)含有多種系列，如51系列單片機(jī)及AVR、PIC系列單片機(jī)。PIC單片機(jī)是美國MicroChip(微芯)公司推出的一種8位單片機(jī)，其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡捷，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)精煉，采用精簡指令集(RISC)和哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，還具有速度高、功耗低、驅(qū)動電流大、控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們選擇了PIC系列單片機(jī)的PIC16F877A型號的芯片。3.2.3 理論分析與參數(shù)計(jì)算1.A/D、D/A芯片的選擇計(jì)算本題要求輸出電

32、流范圍為202000mA(綜合基本要求和發(fā)揮要求)，步進(jìn)1mA，也即分辨率為1mA，根據(jù)式(3-5)得 (3-5)最小位數(shù)為11位，而為了給精度指標(biāo)留有余地，A/D芯片我們選擇16位的AD7715，D/A芯片選擇12位的DAC1230。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，效果比較理想。3.2.3 理論分析與參數(shù)計(jì)算2.采樣電阻穩(wěn)流電源的電流取樣，實(shí)質(zhì)上是穩(wěn)流電源輸出的負(fù)載電流在其上產(chǎn)生的電壓降，它的數(shù)值大小直接影響電流效率，越高，穩(wěn)流電源的效率就越低，采樣電阻上耗散的功率就越大，因此溫升高，取樣電阻的穩(wěn)定性會變差，會使電源穩(wěn)定性降低。有以下求取采樣電阻的經(jīng)驗(yàn)公式： (3-6) 為負(fù)載電流。取樣電阻上的電壓降不宜選值太

33、高，我們?nèi)?.2V，根據(jù)題目要求取2A，代入式(36)，可得采樣電阻取0.1。3.2.3 理論分析與參數(shù)計(jì)算3.精密基準(zhǔn)電壓的計(jì)算精密基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性直接關(guān)系著電流源輸出電流的穩(wěn)定性，可由公式(3-6)計(jì)算出基準(zhǔn)電壓，即 (3-6)取樣電阻由上面計(jì)算可知取0.1，取2A， 所以，基準(zhǔn)電壓取0.2V，即200mV。3.2.3 理論分析與參數(shù)計(jì)算4.直流電流源的主要性能參數(shù)直流電流源有穩(wěn)流系數(shù)和內(nèi)阻兩項(xiàng)主要性能參數(shù)。穩(wěn)流系數(shù)是指穩(wěn)流電源在輸入電壓變化時對電源的輸出電流的穩(wěn)定性的影響，也叫做電流調(diào)整綠。內(nèi)阻是指穩(wěn)流電流在負(fù)載變化時對穩(wěn)流電源穩(wěn)定性的影響。此外，對穩(wěn)流電源性能有影響的還有其他一些因素

34、，如環(huán)境溫度變化等。3.2.3 理論分析與參數(shù)計(jì)算(1)穩(wěn)流系數(shù) 定義穩(wěn)流系數(shù)這個性能參數(shù)時，應(yīng)假設(shè)負(fù)載電阻、溫度變化等因素都固定不變，可變量只有穩(wěn)流電源的輸入電壓的前提條件下進(jìn)行的。無論輸入電壓是升高還是降低，其結(jié)果必然使穩(wěn)流電源輸出電流升高或降低。這就是穩(wěn)流系數(shù)的確切含義。從進(jìn)一步定量地說，假設(shè)輸入電壓變化，輸出電流變化，越小穩(wěn)流電源的穩(wěn)定性越好。如果輸入電壓和輸出電流的變化量都用相對值、表示，則穩(wěn)流系數(shù)可用數(shù)學(xué)式表示為 (3-7)很明顯，越小，受變化影響就越小，穩(wěn)流電源的穩(wěn)流性能就越好。3.2.3 理論分析與參數(shù)計(jì)算(2)輸出電阻Ro輸出電阻，即動態(tài)內(nèi)阻，簡稱內(nèi)阻。它是指輸入電壓、環(huán)境溫

35、度等因素都不變的情況下，負(fù)載電流的變化對穩(wěn)流電源穩(wěn)定特性的影響。它可以用式(3-8)表示。 (3-8)3.2.3 理論分析與參數(shù)計(jì)算5.數(shù)字地、模擬地單獨(dú)接地這是沒有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人比較容易忽略的部分，模擬地和數(shù)字地要盡量隔開，僅僅在一個地方匯合，這樣數(shù)字地上雜亂無章的信號對模擬部分的影響就會變得小很多，這對保證電路的性能是非常關(guān)鍵的 3.2.4 系統(tǒng)原理框圖3.2.4 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)框圖如圖3-17所示。PIC單片機(jī)、A/D、D/A芯片、鍵盤、LCD構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)；比較放大器、負(fù)載、調(diào)整管及采樣單元構(gòu)成恒流源電路。 3.2.4 系統(tǒng)原理框圖單片機(jī)是數(shù)控直流電流源控制的核心部分，它既協(xié)調(diào)整機(jī)工作

36、，又是數(shù)據(jù)處理器。選用PIC單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對A/D、D/A等器件對模擬信號進(jìn)行信號的采集、處理和輸出，從而對輸出電流值進(jìn)行控制校正，達(dá)到較高的精度。系統(tǒng)的人機(jī)接口鍵盤和LCD顯示也由PIC單片機(jī)控制。恒流源電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，比較放大器一個輸入端與DAC的輸出端相連，另一個輸入端加入反饋電壓IogRS，反饋電壓同時與ADC的輸入端相連，由于比較放大器的作用，最終使輸出電流在標(biāo)準(zhǔn)電阻RS上的壓降和DAC的輸出(即方案比較中所論述的基準(zhǔn)電壓)近似相等，因此恒流源的輸出電流僅由基準(zhǔn)電壓(需用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行校正)和標(biāo)準(zhǔn)電阻決定，而與電源電壓和負(fù)載變化無關(guān)。3.2.5 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)1.單片機(jī)系統(tǒng)電路

37、單片機(jī)是數(shù)控直流電流源控制的核心部分，它既協(xié)調(diào)整機(jī)工作，又是數(shù)據(jù)處理器。本系統(tǒng)以PIC16F877A單片機(jī)為核心，以鍵盤、點(diǎn)陣液晶構(gòu)成友好的人機(jī)接口。單片機(jī)通過A/D、D/A等器件對模擬信號進(jìn)行信號的采集、處理和輸出，從而對輸出電流值進(jìn)行控制校正，達(dá)到較高的精度。系統(tǒng)框圖如圖3-18所示。3.2.5 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)所用的鍵盤是鍵盤，其消抖性能良好；點(diǎn)陣液晶顯示器內(nèi)含1616點(diǎn)陣國際一級簡體漢字和ASCII88(半高)及816(全高)點(diǎn)陣英文字庫。3.2.5 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)2.A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路是對恒流源電路中的采樣電阻進(jìn)行采樣，所得到的數(shù)字信號送給單片機(jī)處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

38、采用AD7715與PIC單片機(jī)的RC3RC5相連。AD7715運(yùn)用轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)16位無損編碼，用于低頻測量的全模擬前端器件，能接收直接來自傳感器的弱電平信號并輸出連續(xù)的數(shù)字信號，輸入信號被連接到一個基于模擬調(diào)節(jié)器的專用可編程放大器前端，調(diào)節(jié)器輸出信號被一個片內(nèi)的數(shù)字濾波器處理。數(shù)字濾波器第一陷波點(diǎn)的頻率可以通過片內(nèi)控制寄存器進(jìn)行編程，以調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率和輸出速率(輸出速率=第一陷波點(diǎn)的頻率)。3.2.5 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)AD7715的可編程功能是通過一系列的片內(nèi)寄存器控制的。數(shù)據(jù)通過芯片的串行接口寫入寄存器，對寄存器中數(shù)據(jù)的讀取也是通過該接口。所有與芯片的通信操作開始于對通信寄存器的寫

39、操作，通信數(shù)據(jù)從高位先輸出。AD7715串行接口包含5個信號：、，及。用于傳輸數(shù)據(jù)到片內(nèi)寄存器，而用于從片內(nèi)寄存器中取得數(shù)據(jù)，是芯片的時鐘信號輸入，所有的數(shù)據(jù)傳輸在控制下發(fā)生。用作狀態(tài)信號，指出何時可讀AD7715的數(shù)據(jù)寄存器。當(dāng)數(shù)據(jù)寄存器中有一個字的新數(shù)據(jù)可讀取時，變?yōu)榈碗娖剑瑢?shù)據(jù)寄存器的讀操作完成后，變?yōu)楦唠娖剑苍跀?shù)據(jù)寄存器下一次刷新之前變?yōu)楦唠娖?，指明此時不能從芯片中讀數(shù)據(jù)，以確保在寄存器刷新時數(shù)據(jù)不被讀出，避免錯誤。用于選中該芯片。在多器件連接至串行總線的系統(tǒng)中它可用于地址譯碼。3.2.5 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)電路圖如圖3-19所示，其中基準(zhǔn)源由穩(wěn)壓管TL431通過可變電阻分壓提

40、供，引腳、與PIC單片機(jī)RC3相連，與RC4相連，與RC5相連。模擬信號采用差分輸入的方式，所以將AIN(-)接地，AIN(+)接輸入的模擬信號，即采樣反饋電壓。AD7715的讀取數(shù)據(jù)流程圖見單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分。當(dāng)輸出電流穩(wěn)定時，ADC的采樣值即為輸出電流的測量值，可送入單片機(jī)進(jìn)行顯示。3.2.5 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)3.D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路是將單片機(jī)送來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用DAC1230，它與單片機(jī)的接受端連接。DAC1230是12位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，外部供給基準(zhǔn)電源；雙寄存器結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換時間為1s。電路圖如圖3-20所示。數(shù)據(jù)口DI11DI4(DI3DI0與DI

41、11DI8復(fù)用)與單片機(jī)的RD口相連，控制線、與RC0相連，、與RC1相連，與RC2相連。而D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端Vout of DAC與放大比較器的輸入端相連，從而對輸出電流進(jìn)行控制校正。3.2.5 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)4.恒流源電路恒流源電路由比較放大器、調(diào)整管、負(fù)載和采樣電阻4部分組成，如圖3-21所示。 RL為負(fù)載，RS為采樣電阻，場效應(yīng)晶體管IRFP為調(diào)整管，LM358為比較放大器，采用一個穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定場效應(yīng)晶體管的Ugs，起到保護(hù)調(diào)整管的作用。LM358用正負(fù)12V供電，調(diào)整管IRFP用獨(dú)立電源正18V供電，以滿足其大功率的要求。根據(jù)題目要求，輸出電壓不大于10V，輸出電流范圍最

42、大為2000mA，所以負(fù)載RL應(yīng)該在05之間，采樣電阻RS如前所述取0.1。從采樣電阻RS的上端引入深度負(fù)反饋到比較放大器的負(fù)級，采樣電壓也通過ADC輸入到單片機(jī)處理；比較放大器的正極與AD7715的模擬輸出相連，通過LM358的比較放大作用以及調(diào)整管IRFP的調(diào)節(jié)作用使輸出電流達(dá)到穩(wěn)定。3.2.5 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)5.穩(wěn)壓電源線性電源簡單，但在整個系統(tǒng)中有非常重要的作用。電源的穩(wěn)定性決定著基準(zhǔn)源的穩(wěn)定性，也即恒流源輸出電流的穩(wěn)定性，所以要求電源輸出穩(wěn)定，紋波小。本電源采用橋式全波整流、大電容濾波、三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法，產(chǎn)生各種直流電壓。其中5V、12V等都可以買到相應(yīng)的固定輸出三端穩(wěn)壓

43、芯片，如L7805CV、L7905CV。3.2.5 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)但考慮到所選用的場效應(yīng)晶體管IRFP460需要高功率的電源為其供電，因此為場效應(yīng)晶體管IRFP460提供了獨(dú)立電源；采用了功率高達(dá)150W的環(huán)形變壓器，完全滿足要求，并且它的輸出電壓紋波較小。選擇LM338可變輸出穩(wěn)壓芯片。為場效應(yīng)晶體管IRFP460供電的穩(wěn)壓電源的電路圖如圖3-22所示。通過調(diào)節(jié)可變電阻R1可以改變LM338的輸出Vout。 3.2.6 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)1.軟件功能為了方便編寫和調(diào)試，我們采用了模塊化的編程方法，整個程序分為若干子程序：1)液晶顯示子程序：顯示歡迎界面，輸出電流的給定值及實(shí)際測量值。2)鍵

44、盤處理子程序：輸出電流給定值的預(yù)置及步進(jìn)。3)將調(diào)整值送入DAC。4)進(jìn)行A/D采樣。5)數(shù)據(jù)處理子程序：將A/D采樣的數(shù)據(jù)與上一次設(shè)置的調(diào)整值比較，確定要送入DAC的調(diào)整值。它是輸出電流精度指標(biāo)的關(guān)鍵。 3.2.6 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)整個程序的主要編程思想為：1)事先我們進(jìn)行了測試統(tǒng)計(jì)，得到了一條非線性的未補(bǔ)償曲線，為了便于編程，將其近似分為若干線性段。2)將鍵盤的預(yù)置電流值，送入DAC，近似地按照線性關(guān)系進(jìn)行粗調(diào)。3)根據(jù)預(yù)置電流值在對應(yīng)的近似線性區(qū)內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。4)通過ADC采樣電壓，連續(xù)取12個值，除去最大的兩個值和最小的兩個值，對剩下的8個值取平均；將求得的A/D采樣平均值，送出顯示；等待

45、鍵盤預(yù)置電流值，若未預(yù)置則重復(fù)4)。3.2.6 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)2.程序的流程圖圖3-23為主程序流程圖，圖3-24為D/A轉(zhuǎn)換子程序流程圖，圖3-25為A/D采樣子程序流程圖。3.2.6 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)3.2.6 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)3.2.6 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)3.2.7 調(diào)試實(shí)踐根據(jù)前面所提方案的要求，調(diào)試過程共分3大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。1.硬件調(diào)試1)數(shù)字部分：主要包括PIC單片機(jī)、鍵盤和LCD顯示電路。2)模擬部分：模擬部分是整個系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。 3.2.7 調(diào)試實(shí)踐2.軟件調(diào)試本系統(tǒng)的軟件部分全部采用PICC C語言編寫，除去語法錯誤和邏輯錯誤后，通過直接下載到單片機(jī)來具

46、體調(diào)試。采用了自下而上的調(diào)試方法，單獨(dú)調(diào)試好每一項(xiàng)功能，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試，保證了軟件編寫的正確性和可行性。3.2.7 調(diào)試實(shí)踐3.軟硬件聯(lián)調(diào)由于硬件包括單片機(jī)控制和模擬恒流源兩個部分，調(diào)試時也分兩部分進(jìn)行。模擬電路部分在實(shí)驗(yàn)板上調(diào)試，測試各項(xiàng)參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。而單片機(jī)部分的硬件完成后，就可以進(jìn)行軟件調(diào)試了，調(diào)試重點(diǎn)是D/A在單片機(jī)控制下對模擬輸出的影響是否滿足要求。3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析1.測試儀器1)位數(shù)字萬用表：KEITHLEY 2000 MULTIMETER。2)交流毫伏表：AS2173 AC MILLIVOLT METER 5Hz2MHz。3)數(shù)字示波器：Te

47、ktronix TDS1002。 3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析2.測試數(shù)據(jù)1)當(dāng)負(fù)載為2 時，測量數(shù)據(jù)如表3-1所示。3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析2)當(dāng)負(fù)載為4時，測量數(shù)據(jù)如表3-2所示。3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析3)直流電流源的負(fù)載特性。直流電流源的負(fù)載特性測量數(shù)據(jù)如表3-3、表3-4、表3-5、表3-6、表3-7所示。3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以得到電壓與電阻的關(guān)系如圖3-26所示，從圖3-26中可以看出，兩者成線性關(guān)系，表明恒流源特性較好。3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析(1)輸出電流的精度指標(biāo)1)輸出電流范圍為10mA2A。2)預(yù)置電流值、自制測量裝置顯示輸出電

48、流值以及位數(shù)字萬用表的測量值三者已經(jīng)非常接近，其誤差大小完全可以滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書要求；預(yù)置電流與實(shí)測電流的絕對誤差如表3-8所示。3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析3)對于不同的負(fù)載，預(yù)置相同的電流值，其輸出電流基本上不變化，上下不超過1mA，輸出電流變化量如表3-9所示?？梢姡軌驖M足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析 (2)紋波電流小于0.2mA；負(fù)載為2，平均紋波電流為0.1079mA；負(fù)載為4，平均紋波電流為0.1085mA?？梢?，能夠滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書中關(guān)于紋波電流的要求。(3)系統(tǒng)誤差分析1)DAC1230的量化誤差：DAC1230為12位D/A轉(zhuǎn)

49、換器，按滿度歸一化的相對誤差為，由于采用了高精度的DAC，故誤差很小。2)基準(zhǔn)電壓溫漂引入誤差。3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析4.測量誤差分析1)測輸出電流時接觸點(diǎn)之間的微小電阻造成的誤差。2)電流表內(nèi)阻串入回路造成的誤差。3)示波器、萬用表本身的準(zhǔn)確度造成的系統(tǒng)誤差。 3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析5.測量改進(jìn)方向1)減少接觸點(diǎn)的微小電阻。2)根據(jù)電流表的內(nèi)阻對測量結(jié)果進(jìn)行修正。3)采用更高精度的儀器。根據(jù)數(shù)據(jù)的結(jié)果分析，設(shè)計(jì)任務(wù)書要求指標(biāo)和系統(tǒng)實(shí)際性能的對比如表3-10所示。3.2.8 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析3.3 煤礦井下主排水泵綜合保護(hù)裝置3.3.1 概述1. -600泵房排水系統(tǒng)概況權(quán)臺

50、煤礦-600主排水泵房1980年建成使用，落底水平-600水平，泵房原設(shè)計(jì)5臺排水泵，留有一臺備用水泵位置，于1990年增加到位，現(xiàn)實(shí)際使用6臺主排水泵。水泵型號：D280-1007，額定功率850kW，額定容量280m3/h，主軸轉(zhuǎn)速2950r/min，額定揚(yáng)程700m；主電動機(jī)額定功率1000kW，定子電壓6000V，額定轉(zhuǎn)速2980r/min，定子電流110A。泵房有主、付兩個水倉，容量達(dá)3000m3；水流正常由600水平直接經(jīng)過兩路直徑325mm的排水管路排至地面。水泵的起動方式為高壓6000V串電抗器直接起動，電動機(jī)和水泵都采用滑動軸承支承的方式，軸承的潤滑采用外供壓力油的循環(huán)潤滑方

51、式。吸水真空采用真空泵或射流泵兩種方式；在礦井的正常涌水的情況下，合計(jì)每天運(yùn)行時間為單臺水泵30h。 3.3.1 概述2. 原排水系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)1) 井下主排水泵在配置高揚(yáng)程，大流量的水泵時，其水泵及電動機(jī)的軸承采用了需用壓力油潤滑的滑動軸承。由于供電系統(tǒng)影響，使油泵突然停電或油泵自身原因使?jié)櫥到y(tǒng)供油量不足，潤滑油溫度上升等，致使軸瓦甚至設(shè)備本體損壞，影響了礦井的安全排水及設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.3.1 概述2) 由于水井沉淀物的淤積，會把吸水籠頭或底閥全部埋死，使水部分或全部不能進(jìn)入吸水管，而導(dǎo)致真空度和電動機(jī)的電流發(fā)生變化，水泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，使水泵的效率大大降低，嚴(yán)重的產(chǎn)生噪聲和振動、甚至

52、無法運(yùn)行現(xiàn)象的發(fā)生。3) 水泵的水位控制器采用的是浮球式水位控制器，通過機(jī)械傳動裝置，使電氣開關(guān)動作，從而發(fā)出信號；這種裝置不能準(zhǔn)確的動態(tài)指示泵房的高低水位，動作不靈敏可靠，對泵房的安全運(yùn)行和泵體的安全帶來危險和威脅。 3.3.1 概述4) 原泵房的真空表裝在泵體上，為機(jī)械式真空表，不能及時的反映真空度的變化，更不能隨著真空度的變化而采取必要的措施，達(dá)到自動保護(hù)的目的。5) 由于泵房內(nèi)的啟動板分散放置，各種電氣運(yùn)行參數(shù)和泵體及電動機(jī)的發(fā)熱溫升等情況也分別指示，不利于現(xiàn)場操作人員的監(jiān)控。設(shè)計(jì)的必要性3.3.1 概述3. 設(shè)計(jì)目標(biāo)1)本系統(tǒng)負(fù)責(zé)對主排水泵的電壓、電流、軸瓦溫度、油溫、潤滑油油壓、水

53、泵真空度等一系列參數(shù)進(jìn)行測量并顯示。2)本系統(tǒng)能夠自動根據(jù)所測量得到的參數(shù)進(jìn)行綜合邏輯分析，判斷是否出現(xiàn)異常情況，并在異常情況出現(xiàn)時自動啟動繼電器接口來控制相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，關(guān)閉排水泵，并報警，達(dá)到自動保護(hù)排水泵的目的。3)能夠?qū)屡潘没\頭淤積的雜物及時自動清淤。3.3.1 概述4)能夠?qū)屡潘玫恼婵斩冗_(dá)不到要求時啟動保護(hù)，實(shí)現(xiàn)電氣閉鎖。5)潤滑油斷油保護(hù)，強(qiáng)行停止排水泵運(yùn)行。6)本系統(tǒng)能夠?qū)滤畟}水位值進(jìn)行測量、傳輸、顯示，并根據(jù)得到的水位值進(jìn)行判斷，當(dāng)檢測到的水位值低于最低水位警戒線或高于高水位警戒線時，系統(tǒng)會進(jìn)行相應(yīng)的報警。水位的警戒線可以人工設(shè)置。 3.3.2 方案設(shè)計(jì)1.方案的比

54、較(1) 基于與Intel 51單片機(jī)兼容的AT89C51單片機(jī)系統(tǒng) 可以選用傳統(tǒng)的MCS51系列的單片機(jī)，例如AT89C51單片機(jī)作為微控制器。需要外加AD轉(zhuǎn)換電路、EEPROM、硬件看門狗WDT等。其單片機(jī)系統(tǒng)如圖3-27所示。3.3.2 方案設(shè)計(jì)這種方案的優(yōu)點(diǎn)是用到的MCU通用性好，開發(fā)起來相對容易。但其缺點(diǎn)有很多，例如需要外部的AD轉(zhuǎn)換器，還需要外部的EEPROM存儲器，以及外部的硬件看門狗來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。硬件比較復(fù)雜，而且功耗也會比較大。3.3.2 方案設(shè)計(jì)(2) 基于美國微芯公司的PIC系列單片機(jī)的保護(hù)系統(tǒng) 單片機(jī)是本系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)和進(jìn)行全局統(tǒng)籌控制的核心，選擇一款好的單片機(jī)可以

55、大大優(yōu)化系統(tǒng)的性能，達(dá)到事半功倍的效果。在我國，MCS-51系列的單片機(jī)仍占有很大的市場，最主要的原因是它進(jìn)入中國市場早，已經(jīng)建立了一套完整的體系。但隨著科技的發(fā)展，它已不能完全跟得上市場的需求了，因?yàn)樗陨碛胁豢杀苊獾娜毕?。比如速度慢、RAM等資源少、沒有A/D、沒有看門狗等缺點(diǎn)。 3.3.2 方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的MCU選用美國MICROCHIP公司的PIC16F877單片機(jī)，如圖3-28所示。3.3.2 方案設(shè)計(jì)其特點(diǎn)如下：1)可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程。2)具有5路10bit分辨率的ADC。3)功耗低，4MHz時鐘下工作時耗電不超過2mA，在睡眠模式下低于1A。4)驅(qū)動能力強(qiáng)，每個I/O引

56、腳吸入和輸出電流可分別達(dá)到25mA和20mA。5)具備UART、I2C和SPI串行總線端口。6)內(nèi)置128B的E2PROM。7)自帶看門狗定時器，支持Sleep睡眠和低功耗模式。8)其引腳具有防瞬態(tài)能力，抗干擾能力強(qiáng)。 3.3.2 方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)充分利用到了PIC單片機(jī)的A/D模塊、內(nèi)置E2PROM、WDT看門狗和Sleep休眠功能，使整個系統(tǒng)硬件電路得到了最大程度的簡化。由于PIC單片機(jī)內(nèi)置模塊豐富，程序設(shè)計(jì)起來也比較靈活，故易于以后升級，便于功能擴(kuò)展。3.3.2 方案設(shè)計(jì)(3) 基于DSP數(shù)字信號處理器的保護(hù)系統(tǒng) DSP是數(shù)字信號處理器的簡稱，它功能強(qiáng)大，專門用于對數(shù)字信號的處理，廣泛應(yīng)用

57、于電動機(jī)控制、語音通信、圖像處理等方面。圖3-29是DSP系統(tǒng)的框圖。優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)大，可對所有的模擬量建立合適的模型，進(jìn)行綜合處理。缺點(diǎn)：外圍電路復(fù)雜，硬件成本高，開發(fā)費(fèi)用高，研制周期長。3.3.2 方案設(shè)計(jì)(4) 基于PLC可編程序控制器的保護(hù)系統(tǒng) 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制以及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是

58、第一代可編程序控制器，稱ProgrammableController(PC)。個人計(jì)算機(jī)(簡稱PC)發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程序控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為ProgrammableLogicController(PLC)，現(xiàn)在，仍常常將PLC簡稱PC。 3.3.2 方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)也可以選用PLC來設(shè)計(jì)，如圖3-30所示。優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)。缺點(diǎn)是開發(fā)成本高，硬件復(fù)雜。3.3.2 方案設(shè)計(jì)2. 整體方案的選擇考慮到能夠?qū)χ髋潘玫南嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時測量，并綜合判斷，能夠控制主排水泵的工作狀態(tài)，因此選取合適的控制器MCU是本項(xiàng)目研究的重點(diǎn)。良好的方案應(yīng)該具有

59、性能可靠、抗干擾強(qiáng)、低功耗、使用方便等優(yōu)點(diǎn)；同時還應(yīng)使系統(tǒng)的復(fù)雜性降到最低，成本也要嚴(yán)格控制。因此，綜合考慮現(xiàn)場的要求與產(chǎn)品的開發(fā)成本，我們選擇方案二：基于美國微芯公司的PIC系列單片機(jī)系統(tǒng)。3.3.3 整體方案的設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場的具體要求，該系統(tǒng)包括兩大部分：井下排水泵綜合保護(hù)部分和井下水倉水位測量與顯示的部分。考慮到系統(tǒng)的安裝與調(diào)試方便，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，我們采用雙MCU系統(tǒng)，如圖3-31所示。井下排水泵綜合保護(hù)部分包括電源模塊、真空度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、顯示模塊、固態(tài)繼電器模塊。井下水倉水位測量與顯示的硬件部分主要

60、包括電源、水位傳感器、IV變換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、顯示模塊、按鍵模塊、聲音報警模塊。3.3.3 整體方案的設(shè)計(jì)3.3.4 井下排水泵綜合保護(hù)部分方案設(shè)計(jì)根據(jù)對權(quán)臺煤礦井下現(xiàn)場的多次調(diào)研與測量，井下排水泵系統(tǒng)的具體參數(shù)如下：排水泵真空度：正常值：0.20.25MPa ；異常值： 0.15 MPa排水泵電流：正常值：85A；異常值：7075A排水泵電壓：正常值：6kV潤滑油油壓：正常值：0.020.05MPa；異常值：00.01MPa潤滑油溫度：正常值：60當(dāng)排水泵真空度異常時，啟動自動清淤節(jié)點(diǎn)，達(dá)到自動清淤的目的；當(dāng)潤滑油斷油時，啟動主排水泵跳閘節(jié)點(diǎn)，及時關(guān)閉主排水泵，達(dá)到保護(hù)水泵