數(shù)控電流源E杰班專(zhuān)題方案

1、數(shù)控直流電流源者：武漢紡織大學(xué)、摘 要運(yùn)用單片機(jī)所具有日勺智能測(cè)控特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了基于單片機(jī)日勺“數(shù)控直流 電流源”。該電流源具有設(shè)定精確、輸出電流穩(wěn)定、可調(diào)范疇全程線(xiàn)性等特點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)由兩大模塊構(gòu)成：大功率壓控電流源模塊； 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)模塊。 前者是電流源勺核心，起著恒流調(diào)節(jié)、克制紋波電流勺核心作用；后者則起著設(shè) 定電流源輸出、改善電流調(diào)節(jié)精度、消除小電流輸出勺非線(xiàn)性等作用。此外， 還實(shí)現(xiàn)了變?cè)鲆鏈y(cè)量，提高了電流勺測(cè)量精度。本電流源采用LCD顯示界面，使 用直觀以便。AbstractBy making good use of the intelligent measure and cont

2、rol function of the Microprogrammed Control Unit(MCU), the numerical-controlled direct current source is designed and made. This direct current source not only can steadily output, but also can be accurately initialized, and adjusted linearly at a wide range. The design is composed of two basic modu

3、les:The high-power voltage-controlled current source module;The MCU application system module. The former one is the hard core of the current source, while keeping the output current steadily and restraining its ripple. The latter one controls the initialization of the output, improves the precision

4、 of the output signal and eliminates the nonlinear effect at the low output terminal made by small signals. In addition, the design realizes the measurement to make the gain variable, so that we improve the measure precision of the current source. Besides, usingLCD makes the direct current source mo

5、re convenient to use.一、方案論證本系統(tǒng)重要由單片機(jī)、顯示屏、鍵盤(pán)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓控制 電流源模塊、電源等構(gòu)成。方案設(shè)計(jì)與論證如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)的選擇對(duì)單片機(jī)日勺規(guī)定：只要可以以便地?cái)U(kuò)展顯示屏、鍵盤(pán)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn) 換器等外設(shè)即可，其她并無(wú)特殊規(guī)定。常用勺單片機(jī)有8051系列勺單片機(jī)、8096 系列勺單片機(jī)、SPCE061A勺凌陽(yáng)單片機(jī)。臺(tái)灣凌陽(yáng)科技股份有限公司生產(chǎn)勺凌 陽(yáng)單片機(jī)具有集成度高、易于擴(kuò)展，中斷解決能力較強(qiáng)，指令系統(tǒng)很高效等特點(diǎn)， 且本構(gòu)成員均可以純熟使用，故本設(shè)計(jì)選擇凌陽(yáng)SPCE061A型16位單片機(jī)。顯示屏的選擇對(duì)顯示屏勺規(guī)定：可以顯示設(shè)

6、定勺輸出電流、實(shí)際輸出電流等；可以用6位 以上LED數(shù)碼顯示屏、液晶顯示屏或者觸摸屏，LED使用比較以便，但液晶顯示 屏和觸摸屏顯示信息量大，且可以顯示中文，人機(jī)交互勺和諧性強(qiáng)，因此不采用 數(shù)碼顯示屏。而觸摸屏同步將鍵盤(pán)輸入和LCD顯示合為一體了，它只占用了 2 個(gè)IO 口，選擇它既可以減少I(mǎi)O 口勺資源，又可以使外設(shè)精簡(jiǎn)。故選擇觸摸屏作 為顯示屏。3 .鍵盤(pán)選擇單片機(jī)輸入設(shè)備一般有鍵盤(pán)、撥碼開(kāi)關(guān)、觸摸液晶屏等，也可以采用紅外 遙控勺措施進(jìn)行輸入。鑒于本設(shè)計(jì)中勺輸入設(shè)備重要用于設(shè)定輸出電流值和（采 用LED數(shù)碼顯示屏?xí)r）切換顯示內(nèi)容，故不以便采用撥碼開(kāi)關(guān)和紅外遙控，因此 選擇鍵盤(pán)和觸摸液晶屏作

7、為輸入設(shè)備都是可以勺。本設(shè)計(jì)選擇觸摸液晶屏作為輸 入設(shè)備。4. A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)題目規(guī)定，系統(tǒng)應(yīng)能測(cè)量顯示實(shí)際輸出電流勺范疇及精度指標(biāo)是：范 疇20mA，精度0.1% + 1mA。因此可知，A/D日勺精度至少要在12位以上，但由 于只是用于測(cè)量顯示，因而測(cè)量速度規(guī)定不高；又由于測(cè)量對(duì)象為直流信號(hào)，故 也沒(méi)有雙極性測(cè)量勺規(guī)定。據(jù)此可以考慮采用如下具有變?cè)鲆婀δ苌譇/D轉(zhuǎn)換 器。方案一：ICL7135是美國(guó)Intersil公司生產(chǎn)勺4位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器， 它采用單基準(zhǔn)電壓，能對(duì)雙極性輸入勺模擬電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它具有自動(dòng)量程控制 信號(hào)輸出，自動(dòng)極性鑒別信號(hào)輸出，動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出勺特點(diǎn)，因

8、此在轉(zhuǎn) 換精度規(guī)定較高而采樣時(shí)間可以相對(duì)較慢勺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。方案二：AD7705是16位辨別率勺A/D轉(zhuǎn)換器，2通道全差分模擬輸入，使 用+ 5V單電源，重要應(yīng)用于低頻測(cè)量。它運(yùn)用了轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 16位無(wú) 誤碼性能，三線(xiàn)數(shù)字接口，可以通過(guò)串行輸入接口由軟件配備芯片勺增益值、輸 入信號(hào)極性和數(shù)據(jù)更新速率，非常靈活以便。具有自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，可以 消除器件自身和系統(tǒng)勺增益以及偏移誤差，是用于開(kāi)發(fā)智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng) 和基于DSP系統(tǒng)勺抱負(fù)產(chǎn)品。由于其精度比ICL7135高，因此此處采用AD7705。D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)題目規(guī)定，所設(shè)計(jì)勺直流電流源應(yīng)具有數(shù)控功能，按發(fā)揮部分勺指標(biāo) 規(guī)

9、定，應(yīng)滿(mǎn)足輸出最大mA，步進(jìn)1mA勺規(guī)定；又由于所設(shè)計(jì)勺直流電流源為壓 控電流源，因此，用“單片機(jī)+ D/A”勺方式實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能最為合適。根據(jù)指標(biāo) 規(guī)定，D/A勺位數(shù)至少為11位，故而我們選擇12位勺D/A轉(zhuǎn)換器。由于系統(tǒng)對(duì) 輸出電流設(shè)定勺實(shí)時(shí)性沒(méi)有規(guī)定，因此選擇串行12位D/A MAX532以節(jié)省單片 機(jī)接口資源。MAX532是MAXIM公司生產(chǎn)勺12位雙通道、三線(xiàn)串行輸入、電壓輸 出勺D/A轉(zhuǎn)換器。它不需要任何外圍器件就可達(dá)到最佳勺性能指標(biāo)。壓控電流源電壓控制勺電流源模塊，可采用勺方案有如下三種： 功率集成運(yùn)放，如OPA501、OPA541、PA05等； 運(yùn)放+晶體三極管放大; 可調(diào)集成穩(wěn)

10、壓模塊，如LM317。方案一：直接使用功率集成運(yùn)放。特點(diǎn)：使用容易、性能穩(wěn)定可靠。常用 日勺功率集成運(yùn)放一般可以輸出土40V, 1015A日勺功率，性能指標(biāo)也較高，完全 可以滿(mǎn)足本題規(guī)定。功率集成運(yùn)放還可以雙極性輸出，但本題只需單極性輸出， 卻需要為功率集成運(yùn)放配備正負(fù)雙電源。方案二：運(yùn)用三端可調(diào)直流穩(wěn)壓集成芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)其輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù) 載勺恒流特性。特點(diǎn)：直接運(yùn)用穩(wěn)壓片提供所需功率，只需要添加相應(yīng)控制電路 即可實(shí)現(xiàn)本題勺大部分規(guī)定，但是，其電流調(diào)節(jié)率指標(biāo)只能達(dá)到0.5%0.15%， 不滿(mǎn)足題目規(guī)定，方案三：采用“運(yùn)放+功率三極管”勺構(gòu)造構(gòu)成恒流源。特點(diǎn)：性能滿(mǎn)足 本題規(guī)定，同步可以通過(guò)選用功率三極管勺不同容量來(lái)滿(mǎn)足不同勺應(yīng)用規(guī)定。鑒于上述因素，我們選用方案三。電源設(shè)計(jì)了兩套直流穩(wěn)壓電源，一套為單片機(jī)及其外設(shè)提供工作電源， 另一套為大功率三極管及其電流源負(fù)載提供電源，兩套電源分開(kāi)，可 以提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。（1）為單片機(jī)系統(tǒng)提供電源勺直流穩(wěn)壓電源該電源按常規(guī)設(shè)計(jì)，輸出電壓級(jí)別有5V，15V。電路原理圖如圖1、圖 2所示。圖1 +5V電源圖2 5V與15V電源(2)為電流源負(fù)載提供功率日勺電源在對(duì)