数控直流恒流源设计报告

数控直流恒流源设计报告本系统以直流电流源为核心，AT89s52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由液晶显示电流设定值和实际输出电流值。

本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器（tlv5618）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。

单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转换后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数字量形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。

实际测试结果表明，本系统能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域关键字压控恒流源智能化电源闭环控制设计任务与要求1.1设计任务设计并制作一个数控直流电流源。

输入的交流电压220～240V,50Hz；输出的直流电压≤10V。

其原理示意图1如下所示。

图1 设计任务示意图1.2技术指标基本要求：（1）要求电压输出范围：200～2000mA；（2）可设置并输出电流给定值，要求输出电流和给定电流的偏差的绝对值≤给定值的1%+10mA；（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流的变化的绝对值≤ 输出电流的1%+10mA；（5）纹波电流≤ 2mA；（6）自制电源。

发挥部分：（1）输出电流范围为20~2000mA，步进为1mA；（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置（可同时或交替显示电流的给定值或实测值），测量误差的绝对值≤测量值的0.1%+3个字；（3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤ 输出电流的0.1%+1mA；（4）纹波电流≤0.2mA;（5）其他。

2．方案比较与论证2.1.1各种方案比较与选择方案一：采用中小规模集成电路构成的控制电路。

由三段可调式集成稳压器构成的恒流源。

以W350为例，其最大的输出电流为3A，输出电压Uo′为1.2～33V。

其典型的恒流源电路如图2所示。

图2 W350当可调稳压器W350调解在输出电压Uo′=1.2V的时候，若R固定不变，则输出电流保持不变。

因此可获得恒流输出。

此方案的优点：结构简单、外围元件少、调试方便、价格便宜。

缺点：精密的大功率的数控电位器难购买。

方案二：采用以单片机为核心的单片机最小系统。

由数控稳压器构成的恒流源（如图3）。

图3 数控稳压器方案一是在U o′不变的情况下，通过改变R数值而获得输出电流的变化。

如果固定R 不变，如令R=1Ω，若能改变U o′的数值，同样可以构成恒流源。

此方案的优点：原理清晰，只需要数控恒压源的设计知识和器材的话，方案比较容易实现。

缺点：数控恒流源的地是浮地，与系统不共地线。

方案三：采用以单片机为核心的单片机最小系统。

采用电流串联负反馈机理构成恒流源。

采用电流负反馈机理构成的原理图如下图4所示，它由LM399型精密基准电压源、DAC、低噪声误差放大器A、调整管、负载电阻RL，取样电阻RF及精密多圈电位器RP等组成。

来自CPU电流控制字数据加至D/A转换器，转换成电压信号通过多圈电位器RP加在运放A的同相段。

由A、VT、RL、RF构成典型的电流串联负反馈。

图4 电流串联负反馈方案三的优点：原理清晰，只要需要数控电压源的知识，元件资料。

实现此方案很简单。

2.2 方案证论整个系统根据其外围设备的复杂程度、花费成本，从系统可靠性、稳定性出发，以及根据现有的条件，采取合理的选择。

电源供电部分，选用常见的三端稳压，因其电路简单，输出电压稳定，成本低，被广泛应用。

该电源部分的重点在于恒流源的电源提供，要求其恒定电流需达到2A，故一般的三端稳压芯片难以达到要求，故根据现有的条件，该部分不经过稳压，直接通过整流、多次滤波之后接入恒流源电路(效果显著)。

尽管整个系统带负载能力不强，但是通过电流较大，热量消耗的功率非常大，并且对其稳定度要求非常高，所以为避免电路的供电部分对恒流源产生干扰影响，整个系统必须要两个变压器，一个给电路供电，一个专为恒流源部分电流。

恒流源部分，选用电流串联负反馈电路构成的恒流源，该电路简单，原理易懂。

该部分为整个系统的核心电路部分，通过由MCU控制输出数据，经过D/A转换得到的电压值接入误差放大器的同向端，其反相端则是由流经采样电阻上的电流，采样得到的电压。

通过误差比较，若不相等则通过误差放大，放大后的误差电压，通过转为电流信号接入调整管的基极。

通过采样反馈回的电流信号的变化，调整管通过调整使得采样反馈回的电压Uf等于MCU控制输出，经由D/A转换输出的电压值，以达到数控的目的。

D/A转换器(TLV5618)具有4096种状态，完全能满足要求。

设计时两个电流控制字，代表1mA,当电流控制字从0,2,4，…，4000时的，电源输出电流分别为0mA,1mA,2mA,…,2000 mA。

TLV5618是串行输入，串行输出的12位D/A转换器。

它需要一个基准电压源，选取精度高，电压温度系数小、性能好的精密基准电压源LM399。

其基准电压为6.95V 。

由D/A 转换器TLV5618产生的模拟量Uf1加在误差放大器的同相端，若将Ui 作为运放TL082的输入量，则由采样电阻Rf 引入的反馈是典型的电流串联负反馈。

其输出的电流Io 只取决Ui 和Rf 的大小。

即Io=U_ / Rf ≈U+ / Rf=Ui / Rf 。

若Rf 取定，Ui 不变，则Io 恒定。

这即是恒流源的工作原理。

若Rf 一定，Ui 随电流控制字的变化而变化。

故Io 也随电流控制字的变化而变化。

根据题目要求，输出电流Io 的变化范围为20~2000mA ，则Imax=2000mA 。

取Rf=0.5Ω,则Ufmax=Uimax=Vnmax=Iomax ·Rf=1V 。

这就意味着当电流控制字为4000时，对应D/A 转换器输出的电压值Ui 为1V 。

于是可求得D/A 转换器满幅值为4095/4000=1.02375 (V) (1)此值就是TLV5618的参考电压值。

通过精密多圈电位器RP1调节很容易得到这数值。

于是，不难推出输出电流I 0与电流控制字的表达式)(5001K11110iinREFF2D 22U R I mA i iii D ∑∑===-∙=（8.3.6） 由8.3.2节的分析可知，这一部分性能好坏，直接影响系统的技术指标是否可以满足，下面就电路中关键的几个元器件进行讨论。

1） 采样电阻的选择采样电阻的选择十分重要，要求噪声小，温度特性好，所以最好选择低温度系数的高精度采样电阻。

例如，锰铜线制成的电阻，温度系数约5ppm/℃。

另外，由于采样电阻与负载串联时流过采样电阻的电流通常比较大，因而温度也会随之上升，可以通过减小载流量和增加散热面积来避免因温度过高导致采样电阻值发生变化。

在条件允许的情况下，还可以采用风冷的办法解决。

另外采样电阻阻值取大一点，对稳定度有好处，但会使系统效率下降，折中考虑取R=0.5Ω。

2） 调整管的选择由于稳流电源的输出电流全部流经调整管，因此调整管上的功耗将会很大，必须选择大功率的晶体管来做调整管。

为了与误差放大器更好地匹配，我们采用由一只三极管8050和功率管MJE8055组成的复合管结构，MJE8055的最大输出电流可以达到8A 。

通常调整管承受的电压和流过的电流时变化的，在极限情况下，即最小输出电压和最大输出电流时，为了防止调整管上的功率损耗不致过大，又要防止它进入饱和状态，最好采用稳流电源的输入电压随其输出电压的改变而进行调节，使调整管的集——射电压保持不变，但由于时间和条件的限制，本设计中没有采用。

3）误差电压放大器电流稳定度与放大器有直接关系，在大功率电源里基本上是倒数关系。

例如，若要求电流源的稳定度小于104-，则放大器的放大倍数要大于10000。

现有的集成运算放大器基本上都能够满足这一要求。

本设计选用TL082作为误差放大器，其具有：1.2V/µV(Ω=2k RL)，0.5V/µV(Ω=600R L )的高增益；300µV 的低输入失调电压；1.5nA 的低失调电流；2.5µV/℃低温漂；0.55µV 的低噪声电压。

由于采样电阻选取0.5Ω，其最大采样电压为1V ，而负载端最高电压为10V ，复合调整管1.4V UBE=。

于是要求误差放大器的最大输出电压为12.4V ，为了防止放大器进入饱和区，设计将放大器的工作电压取为V 15±。

3） D/A 转换器的选择由8.3.2节分析可知，D/A 转换器的性能好坏直接影响系统的技术指标，设计选择了具有掉电模式的12位电压输出D/A 转换器TLV5618。

① 特点。

.电源：2.7~5.5V.可编程置位时间：3µS （高速模式）；9µS （低速模式） .差分非线性：<0.5LSB （典型值） .与TMS320、SPI 兼容的串口接口 .温度范围内单调 ② 引脚图如图5所示图5 TLV5618引脚图 5） 基准电压源的选择基准电压源的选择十分重要，它直接影响输出电流源输出电流的准确性、稳定性及纹波系数等项技术指标。

设计选择了目前生产的性能最佳、电压温度系数最低的精密基准电压LM399。

3. 电流测量部分电流测量与显示原理框图如图4所示。

其中单片机与液晶显示的接口电路如图6所示。

电流测量电路如图7所示。

图6单片机与液晶显示的接口电路图7 电流测量电路图8 稳流电流的输出该电路由三级组成，第一级由AD620构成缓冲放大，主要起隔离和增益可调的作用；第二级由TL082构成直流放大作用；第三级由TLV1549构成的A/D 转换器。

该电路的功能是将输出电流I 0先转换成电压，在经过两级电压放大，放大后最大输出电压控制在12V 以内，最后A/D 转换成数字量交给CPU 进行处理。

1） 元器件的选择 ① 缓冲级选择。

缓冲级选取低功耗仪表放大器AD620。

它具有如下特点： .单电阻设置增益（1~1000） .宽电源范围：V 18~3.2±± .低功耗：最大1.3mA .输入失调电压：最大50µV .输入失调漂移：最大0.6µV/℃ .共模抑制比：>100dB （G=10）.低噪声：峰——峰值<0.28µV （0.1~10Hz ） .置位时间：15µS （0.01%） ② 电平放大级的选择。

电平放大级选择TL082。

③ A/D 转换器选择。

因为恒流源主电路采用的是12D/A 转换器，测流电路A/D 转换器应该至少保证在12位，因为一时购不到12位以上的A/D 转换集成片。