数控直流电流源完整版(电路+程序)

题目名称：数控直流电流源

摘要：该数控直流电流源以精密压控电流源为核心、用单片机、DAC组成控制电路，引入“S类”反馈控制功率放大电路，实现超精密电流控制、具备精准的扩流能力、低失调、有步进、同时带有丰富扩展功能的精密电流源。经过ADC采样，完成输出电流显示功能，并使输出范围覆盖0～2A，是理想的电流源解决方案。

关键词：精密电流源低失调S类功率放大器

Abstract:The direct current source of numerical control bases on accurate VCCS, using MCU and DAC as controller kernel, importing circuit of power amplification of type S with feedback control; achieves ultra accurate current control; has low offset and excellent capacity for current enlarging; has step by step motion. At the same time, it provides abundance extended functions. According to the ADC sampling, it carries out the function of displaying the current output, meanwhile it achieves a range of 0 to 2A. Above all, it is an ideal solution of current source.

Keyword: accurate current source , low offset , power amplification of type S

目录

1方案论证与比较 (3)

1.1精密压控电流源方案论证 (3)

1.2扩流模块方案论证 (3)

1.3电流检测方案论证 (4)

1.4功率输出级电源方案论证 (4)

1.5其它模块电源方案论证 (4)

2 系统设计 (5)

2.2单元电路设计 (6)

2.2.1 压控电流源单元电路设计 (6)

2.2.2S类功率放大器电路设计（理论推导和证明） (7)

2.2.3 数控电路设计 (10)

2.2.4 大功率电源模块 (11)

3 软件设计 (11)

4系统测试 (13)

4．1测试仪器 (13)

4.2测试方法 (13)

4.3测试数据 (14)

5 结论 (15)

参考文献： (15)

附录： (16)

附1：元器件明细表 (16)

附2：仪器设备清单 (16)

附3：电路图图纸 (16)

附4：程序清单 (19)

附5：使用说明 (24)

1方案论证与比较

本系统主要由精密的电流源模块、S类扩流模块、电流检测模块、数控模块、以及大功率的电源模块组成,如图1所示。

图1 系统模块图

针对各模块的功能要求，分别有以下一些不同的设计方案:

1.1 精密压控电流源方案论证

精密压控电流源是本数控电流源的关键之所在，针对设计要求和使用需求、结合设计思路，精密电流源模块必须具备以下指标：纹波小于2mA，误差小于0.1％，具有低的输出失调。基于稳定性要求和以上考虑，电流源电路选择了经典的压控电流源电路，它负责与后级扩流模块连接，用电压控制后者，而使用电流反馈，这样可以保证有足够高的精度。该部分采用了高性能、低温漂、低失调的运算放大器OP77和精密元件组成，保证性能指标的良好发挥。

1.2 扩流模块方案论证

方案一：传统的扩流方法，采用具有大功率输出能力的功率放大器，通过引入深度负反馈环路，使电路接成电压跟随的电流放大器，而起到扩流作用。这种方案在电流源领域使用以久，是比较经典的接法。但是该接法存在某些缺陷，首先它是作为电流放大电路，不可

避免的从前级取出电流，这种误差在小电流时影响甚微，但是电流一大，扩流电路对前级的影响就不可忽略，这是造成前级压控电流源误差的重要原因；另外，扩流电路仅仅是一个0dB电压增益的放大电路，深度负反馈是减少误差的方法之一，但不是最好的方案，这种电流放大器在高精度要求的场合还是具有较大误差的。

方案二：崭新的S类电流放大器。为克服传统扩流电路在高精度、高稳定性要求下的缺陷，追求一种精度高、稳定性好、对前级影响小的扩流电路，受到S类功率放大器的启发，本设计率先把S类放大器优秀的电压跟随原理引入电流源电路之中。该电路具有以下优点：一、理想的输入性能，即整个工作范围内都有极高的等效输入阻抗，优秀的性能使得前级电路工作于极度轻载的状态。实践和测试都证明，该电路能有效地使前级电流源工作在近乎空载的工作状态，保证电路的性能不发生劣化。二、超高的放大精度，即电流跟随模块的输出值和目标值之间的误差实测只有<-90dB，这样，输出电流就只取决于前级的精度，由电流放大器所引入的误差降低到可以忽略的程度。事实说明，该电路是很有发展前景的。

综合考虑各种因素和基于以上分析，本设计最终选取了方案二

1.3 电流检测方案论证

在负载电阻与地之间接一个高精度、低温漂的1欧康铜电阻作为取样电阻，用AD转换器MAX1241测量电阻上的压降，MAX1241为12位串行A/D，精度优于1LSB，基准电压用2.048V，因此测量分辩率为0.5mA，精度可达1mA以下，可以满足题目对测量精度的要求。

1.4 功率输出级电源方案论证

方案一：使用开关电源。开关电源的优点是效率高、体积小，适用于大功率的场合。但是开关电源本身工作于高速开关状态，对周边的电路会产生严重的高频干扰，电源也会有较高的高频纹波，经分析认为其不适合用对精度要求高、稳定性好的场合。

方案二：使用环形变压器＋∏形滤波电路。优点是结构简单，用上大电容后，滤波效果明显，电源纹波小，不会产生高频干扰。缺点是体积大、重量大。

综合以上两种方案，我们认为方案二可以提供更高质量电源，有利于制作出高精度、高纯度的电流源。而体积、重量对于这种台式的设备居次要地位。选用方案二。

1.5 其它模块电源方案论证

本电流源为数模结合系统，复杂的工作条件对电源供电的稳定性要求很高，电源具体的设计方案有二：

方案一：直接使用环形变压器为数模电路同时提供电源，但各自使用独立的稳压滤波电路供电。这种方案电源设计比较简单，用独立的稳压电路能在一定程度上对各个电路提供相对稳定的电源，这种设计在负载较轻、输出波动不太大的电路里是非常实用的。然而，本设计的电流工作范围较宽，在大电流负载的情况下，电源纹波串扰的影响显得相当严重。此时，数模共用同一电源将制约系统精度的进一步提高。

方案二：为数字电路和模拟电路各自提供一个独立的变电、整流和滤波电路，实现数模电路的供电隔离。因为电流源和功放电路的核心芯片对电源的要求跟数字电路对电源的要求不同，本设计只需针对电路对电源的特殊使用情况，适当使用滤波电路，便可保证输出量的