基于虚拟仪器的恒流源实验设计毕业设计

学号：101111213Tianjin TianShi College本科生毕业设计（论文）基于虚拟仪器的恒流源实验设计Experimental Design of Constant Current Source based on the Virtual Instrument院别专业：年级：学生姓名：指导老师：学士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的设计（论文）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果，除了文中特别加以标注引用的内容外，本设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。

学位论文作者签名（手签）：年月日摘要本论文是基于虚拟仪器的恒流源实验设计，设计恒流源关键在于恒流源的测试。

系统主要由外部电源、恒流源电路、USB2833 数据采集卡、PC机和LabVIEW图形化编程开发环境等组成。

通过对恒流源电路的研究和设计方案的对比，设计出可调式高精度恒流源。

电路中采用场效应管作为恒流源的调整管，根据场效应管的输出特性，通过改变栅极电压来控制输出电流的变化。

输出电流的稳定性可以通过由比例调节器和积分器组成的闭环控制系统调节，从而使恒流源输出恒定电流。

为了保证恒流源输出时具有良好的稳定性和精确性，负载需要链接妥当。

在测试恒流源时，可以通过在LabVIEW图形化设计的控制面板中设定电流输出参数，给定数据通过USB总线传输到数据采集卡，控制恒流源输出，用高精度的仪表来测实际电流的输出的值。

编写实验指导书，包括恒流源的内阻测试，恒流源的精度，恒流源的动态范围等。

该设计具有一定的灵活性和扩展性的特点。

关键词：恒流源；LabVIEW；数据采集，高精度，线性可调，目录第一章绪论 (6)1.1研究背景 (6)1.2 研究意义 (6)1.3 国内外发展状况 (6)1.4 研究内容 (7)第二章恒流源方案论证 (8)2.1恒流源设计方案 (8)2.2恒流源测试方案 (9)第三章恒流源 (11)3.1恒流源的概念 (11)3.2 恒流实现的原理 (11)3.3 恒流源的分类 (11)3.3.1晶体恒流源 (11)3.3.2场效应管恒流源 (12)3.3.3集成运放恒流源 (13)3.4恒流源特点 (14)3.5 恒流源的应用 (14)3.6线性恒流源的设计电路 (15)第四章虚拟仪器 (18)4.1 虚拟仪器的概念 (18)4.2虚拟仪器的发展 (18)4.3虚拟仪器的构成 (19)4.4虚拟仪器的特点 (19)4.5虚拟仪器的应用 (19)第五章测试系统的设计和实现 (20)5.1 测试系统的硬件设计和实现 (20)5.1.1 USB2833数据采集卡 (20)5.2 测试系统软件的设计和实现 (20)5.2.1 LabVIEW的简介 (20)5.2.2 LabVIEW的程序构成 (21)5.2.3 LABVIEW的特点 (21)5.3 系统具体应用程序的实现 (21)5.3.1 USB2833数据采集卡的驱动 (21)5.3.2 应用程序流程图 (22)5.3.3 测试系统界面的设计与实现 (23)5.4 恒流源测量数据分析 (25)5.5误差分析 (26)第六章实验指导书的设计 (27)总结 ............................................... 错误!未定义书签。

参考文献 (31)第一章绪论1.1研究背景当今社会，电子技术日新月异的发展使数字电路的应用领域不断扩大，也使得数字化产品尤其是电子设备受到人们的追捧，对于电子设备的性能，人们尤为关心的是其可靠性和稳定性，这在很大程度上又取决于设备的精密度。

一个性能良好的电子设备必须由稳定的电源供应电能，电源的稳定度越高，设备所处的外围条件越优越，设备的寿命就会越长。

因此，恒定的电流器件成为人们的优先选择，人们对其的需求也越来越迫切。

目前恒流源是校验电流表、测量半导体器件参数的理想设备，也是电子电路和模拟集成电路应用较多的电路单元，在科研领域和生产实际中有很广阔的应用前景。

虚拟仪器技术由美国在上世纪80年代提出以来的，它的显著的优势得到了人们广泛的关注，成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。

1.2 研究意义随着电子技术的发展，智能设备越来越受人们的欢迎，如何改善设备性能，提高设备的精度已经受到人们的高度关注，较好的设备，性能好，精度高，而在这些条件得到保证的同时，也需要有一个稳定、高精度的电源给其供电，这样的话设备才会受到人们的广泛青睐。

具备一个稳定的电流源是每个高精度设备必不可少的，而恒流源的开发也将会有很广阔的发展空间。

恒流源在很多情况下是必不可少的电源装置，它能够给负载提供恒定的电流，并且拥有比较广泛的应用范围。

恒流源能被广泛用于测量电阻的阻值，电缆电阻的测量等，并且输出的电流越稳定，测量的值就越准确。

另外，这一电源装置能为各种放大电路提供偏流来稳定电路的静态工作点，也可以作为放大电路的电源负载，提高放大倍数，并且也能应用于差动放大电路和脉冲产生电路中。

1.3 国内外发展状况我国的电源产业发展于20世纪60年代中期，21世纪产业规模才进入快速发展阶段。

在国家自然科学基金的资助和创新意识的指导下，我国从吸收消化电子技术研究发展到对此技术的前沿跟踪和基础创新，进而生产出了一批具有代表性的研究产品。

到了60年代，随着半导体技术的发展，我国设计和制造出了各种性能优越的晶体管和恒流源，它们在实际中也获得了广泛的应用。

晶体管恒流源电路封装在同一个外壳内形成的独立器件，可以构成直接调整型的恒流源，以提供恒定的电流。

进入70年代，半导体集成技术的发展使恒流源的研制又进入了一个新的阶段。

原来的恒流源必须通过组装分离元件而制成，现在能将其集成在一块很小的硅片上，而外面只需要接少量的元件。

综上所述，近几十年内，恒流源的发展确实发生了翻天覆地的变化。

它由最初传统的模拟恒流源迅速发展到了现在的数控恒流源，其精度和稳定度也由过去的低水平达到了如今很高的水平，并且现如今恒流源也朝着可调性和数字化方向不断发展，其应用领域得到了不断扩大。

发展趋势：高精度，高稳定，可调性和数字化。

1.4 研究内容（1）恒流源电路的研究与设计理解恒流源电路的特点，仿真出恒流源电路，使输出电流流过被测电阻，验证输出电流是否改变。

通过调试恒流源进行调试，得到比较精确、稳定的恒流源。

（2）LabVIEW语言程序的设计利用LabVIEW语言，编写测定恒流源的程序，通过数据采集卡对恒流源进行测试，对数据进行监控。

（3）恒流源实验设计恒流源实验设计包括：恒流源的精度测试；内阻测试；动态范围测试；响应速度测试。

第二章恒流源方案论证2.1恒流源设计方案方案一：由集成稳压器构成的恒流源。

常见的由稳压器设计的恒流源如图2-1所示。

当电路中的稳压器选定了之后，那么电压U0 是一个定值。

当电阻R保持不变，则输出电流I不变，所以电流时恒定的。

如果R的值改变，那么输出电流I也改变。

因此将R设为数控电位器，则输出的电流可以得到控制，这个方案设计的电路结构比较简单，调试方便，但是数控电位器比较难买。

R1R2GND图2-1 三端集成稳压器构成的恒流源框图方案二：采用集成运放的线性恒流源用集成运放的方法设计出的恒流源，它输出的电流和恒流源外接的负载是无关的。

放大的环节是由两块运放器构成，电路的调整环节是由晶体管组成，利用晶体管的输出特性和负反馈，电路可以得到稳定的电流输出，实现了电流的稳定。

运算放大器U1为比例放大器，U2为积分器，比例放大器和积分器同组成闭环控制系统，通过反馈调节稳定性，并且可以由函数表达出来。

电路中采用场效应管作为恒流源的调整管，根据场效应管的输出特性，通过改变栅极电压来控制输出电流的变化。

输出电流的稳定性可以通过由比例调节器和积分器组成的闭环控制系统调节，从而使恒流源输出恒定电流。

其原理框图如图2-2所示。

图2-2 集成运放构成的恒流源框图综合考虑，采用方案二，2.2恒流源测试方案方案一此方案是以单片机为控制模块，单片机的最小系统比较简单，用单片机的编程语言来控制电流的输出，通过ISP方式将编写的单片机的程序下载到芯片中实现控制。

此方案如图2-4。

计算机USB总线单片机恒流源电路DA转换器AD转换器图2-4 单片机为控制器的系统框图方案的缺点是用单片机控制的时候，要有外围电路，单片机的集成度还有运算能力不高，硬件的制作比较困难，焊接电路存在一些外界的因素，会导致整个系统受到影响。

方案二此方案如图2-5，采用PC机位系统的控制模块，运用数据采集卡，然后连接恒流源电路，通过DA/AD转换，将模拟量转化为数字量，由数据采集卡把数据传输到PC机，由PC机处理数字量，实现电流的测量。

这样测量起来比较灵活，且精度较高。

图2-5 PC机控制器的系统框图最终决定采用方案二。

第三章恒流源的设计3.1恒流源的概念恒流源，它是一种能向负载提供恒定电流的电源。

它不但可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数。

并且在差动放大电路、脉冲产生等电路中得到了广泛应用[1]。

3.2 恒流实现的原理图3－1为三极管的输出特性曲线，图中可以看出，在放大区域内，三极管的输出特性曲线是与横坐标基本平行的，随着Vce的加大，各条曲线略向上想、倾斜。

则说明Ic主要是由Ib控制的，在放大区，三极管的发射结正偏，集电极反偏，此时Ic=βIb。

Vce对Ic的调整是由基区宽度调制效应产生，当Vce增加时，电流的放大倍数略微增加。

总之，三极管的基极电流IB在保持不变的时候具有恒流的效果，这时三极管的直流电阻较小但是交流电阻较大[17]。

图3—1 三极管的输出特性3.3 恒流源的分类一般而言 ,按照恒流源电路主要组成器件的不同 ,可分为三类 :晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源。

3.3.1晶体恒流源由晶体三极管等器件构成的恒流源电路为晶体管恒流源电路，通过改变晶体三极管的基极电压的值从而改变输出电流的值，电路中有反馈环节，通过电流的负反馈，调节电流的输出稳定。

如图3-2。

3-2 晶体恒流源图中R1、R2分压稳定B点的电位，Re是将输出的电流转化为电压，输出电流的表达式为：I0=（Vb－V BE）/Re≈Vb/Re(V B>>V BE)。

即等效内阻为：=R [1＋βRe/(Rb＋Rbe＋Re)] （3-1）R内式（3-1）中R为晶体三极管T的集电极和发射极之间的电阻，通常是几十千欧；Rbe通常是几千欧的输入电阻，Rb =R1//R2。

假设Re=10kΩ，Rb=20kΩ，晶体三极管的Rce=100kΩ,β=50，Rbe=2.6kΩ，则等效内阻为=100*1＋50*10/(20＋2.6＋10)=1.5MΩR内由此可知，工作电压虽然只有几伏的大小，但是三极管的等效内阻很大，那么使电路的内阻很大[1]。