数控恒流源

摘要：本方案采用AT89S52单片机作为系统控制核心，实现数控恒流源方案。设计采用大功率双极型三极管2SC3997以及仪表放大器等构成闭环恒流源控制电路，配以8位A/D,D/A 芯片完成单片机对输出电流的实时检测与实时控制，实现了0mA~1500mA 范围内步进20mA 恒定电流输出的功能，保证了纹波电流小于1mA,达到了较高的稳定度。人机接口采用4*4键盘以及LCD1602液晶显示器，控制界面直观简洁，具有良好的人机交互性。

一 作品完成功能

1.输出电流范围：0mA ～1500mA ；

2.可设置并显示输出电流给定值，输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值1％+10 mA ；

3.具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤20mA ；

4.纹波电流≤2mA ；

5.自制电源

二 系统方案论证 1.系统总设计模块

2.方案论证

本系统设计关键在于恒流源模块方案，关于恒流源模块方案

电压控制的电流源模块，可采用的方案有以下三种：

①

功率集成运放，如OPA501、OPA541、PA05等； ② 运放＋晶体三极管放大；

③ 可调集成稳压模块，如LM317。

方案一：直接使用功率集成运放。特点：使用容易、性能稳定可靠。常用

的功率集成运放一般能够输出±40V ，10～15A 的功率，性能指标也较高，完全能够满足本题要求。功率集成运放还可以双极性输出，但本题只需单极性输出，却需要为功率集

DA 转换模块

成运放配置正负双电源。

方案二：利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。特点：直接利用稳压片提供所需功率，只需要添加相应控制电路即可实现本题的大部分要求，但是，其电流调整率指标只能达到0.5%～0.15%，不满足题目要求，

方案三：采用“运放＋功率三极管”的结构构成恒流源。特点：性能满足本题要求，同时可以通过选用功率三极管的不同容量来满足不同的应用要求。

鉴于上述原因，我们选用方案三。

另外，本方案中涉及AD,DA芯片。AD,DA芯片的选择直接关系到系统的精度以及方案的成本。综合考虑精度与成本，我们选择了常用的8位DA芯片DAC0832与8位AD芯片ADC0832.

三硬件结构设计及实现

1.压控恒流源电路及电路分析

电压控制的电流源电路如图所示。压控电流源模块主要由给定与比较放大单元、功率放大单元和电流反馈单元组成。给定与比较放大单元由U1（OP07）及其外围阻容器件组成，起着计算给定电流与实际输出电流偏差并进行放大的作用。与R2并联的电容器C9起加速反馈的作用，与运放反馈电阻并联的电容器C10起滤波作用，二极管D1起电压钳位作用，用以保护运算放大器；功率放大单元由Q1、Q2和Q3及其配套阻容器件组成，为满足最大输出容量（10V，2000mA）的要求，选取最严重工况（负载端短路且输出2000mA）计算Q3的功率损耗：（10＋5）V×2A＝30W式中，5V是考虑电流源输出10V 电压，输出2A电流时，为Q3留出的ce极间电压。为可靠起见，留有足够的功率裕量和安全系数，选择Q3的型号为2SC3997.其主要技术参数如下:800V,20A,允许管耗250W。

C14起纹波抑制作用，二极管D3用以保护功率三极管Q3，防止其承受反压而损坏；电流反馈单元由仪用放大器AD620和低噪声运放OP07构成，前者对串联在负载回路的康铜丝两端电压进行取样，康铜丝是一种温度特性佳的阻性元件，其两端电压正比于流过的电流，因此该电压的反馈就是负载电流的反馈。仪用放大器具有极强的抗共模干扰的能力，特别适合对小信号进行放大。OP07作为二级放大且其输入端设置一个反馈系数调节用的精密电位器，起着输出电流校正之功用。

2.DA转换电路

DA转换电路根据单片机指令输出控制电压，芯片采用8位DA芯片DAC0832,基准电压采用三端稳压管7805输出的+5V,DAC为负压输出，输出范围0~-5V

3.AD转换电路

AD转换电路采样康铜丝电阻两端电压，仪表放大器与电压跟随器组成信号调理电路，信号经过信号调理电路后送入AD芯片转换，转换数据送入单片机处理。AD芯片采用8位

串口芯片ADC0832,基准电压+5V，详细电路如下图所示

4.人机界面电路设计

键盘采用4*4键盘，键盘控制用到单片机的P1口

液晶显示采用LCD1602显示，LCD控制用到8155的PA口与PC口

5.自制电源电路

自制电源一套，输出+5V给单片机供电，+15V与-15V给放大器芯片以及DA芯片供电，+20V给恒流源电路供电。

+5V电源给单片机供电

+15V-15V电源给DA芯片及放大器芯片供电

+20V电源给恒流源电路供电（功能未实现）

四软件结构设计及实现

程序设计流程图

程序代码见代码文件

五作品测试数据

（尚未测试）

六不足及今后改进方向

1.恒流源模块

恒流源模块线性输出范围目前只能达到0~1500毫安，分析原因可能是大功率三极管功率不够。另外恒流源模块线路输出电流极大，导线电阻对接地点之间影响较大。板子的整体布线及做工对精度也有影响。这是今后改进方向。

2.AD,DA芯片模块

目前本方案所采用的AD,DA芯片均为8位。这一模块改进方向自然是提高芯片位数，芯片位数直接决定整个系统精度。事实上，一开始我们努力追求用12位的芯片以确保整个系统精度。但是由于插件的12位芯片价格均都比较高。南京地区此类芯片较少。网购芯片质量又没有保证。最终由于进度原因不得不选择8位芯片。但是现在看来，AD,DA 芯片位数虽然重要，但是这是建立在恒流源精度的基础之上的，如果恒流源电流精度不高，即使采用了12位芯片，也是难以达到理想效果。

3.自制电源模块

自制电源模块电路图都是固定的。其中+15V，-15V，+5V电源是给芯片供电，输出功率不大，不必说。最核心的是+20V电源，给恒流源电路供电。事实上，整个电路的电流输出都是由+20V提供的，所以+20V电源必须能够输出足够大功率，足够稳定。首先对电路有要求，其次对变压器也有要求。变压器应选用大功率变压器，功率至少50W。电路里用到的器件，也多应为大功率，特殊要求的器件，由于经费问题，这部分电路虽然实现，但是功能未能实现。仍存在诸多问题，包括稳定性以及功率问题。目前+20V电源暂时用实验室直流源代替。