数控恒流源.

数控恒流源

1.任务 (2)

2. 单元电路设计 (5)

2.1 稳压电源电路 (5)

2.2.1 单片机最小系统设计 (5)

2.2.2 A/D、D/A电路设计 (6)

2.3 键盘电路设计 (7)

2.4 显示器电路设计 (8)

3. 软件设计 (9)

3.1 软件设计流程图 (10)

3.2 软件功能、算法及源程序： (11)

4. 系统测试 (18)

4.1 测试使用的仪器 (18)

4.2 指标测试和测试结果 (18)

4.2.1 输出电流范围测试 (18)

4.2.2 步进调整测试 (18)

4.2.3 输出电流测试 (18)

4.2.4 结论 (19)

参考文献 (19)

附录1原理图 (19)

单片机最小系统原理图： (19)

矩阵键盘原理图： (20)

附录2 PCB图 (22)

单片机最小系统PCB (22)

4*4矩阵PCB图： (23)

电源模块PCB图： (23)

DA转换PCB图： (24)

AD转换模块原理图： (24)

1.任务

设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。其原理示意图如下所示。

1.1、要求

1.1.1基本要求

（1）输出电流范围：200mA～2000mA；

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

（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，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10 mA；

（5）纹波电流≤2mA；

（6）自制电源。

1.1.2发挥部分

（1）输出电流范围为20mA～2000mA，步进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和实测值)，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≤输出电流值的0.1％+1 mA；

（4）纹波电流≤0.2mA；

（5）其他。

1.2 总体设计方案

经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：电源模块，控制模块（包括AD、DA

转换）恒流源模块，键盘模块，显示模块。以下就各电路模块给出设计方案。

1.2.1 控制部分方案

方案一：采用FPGA作为系统的控制模块。FPGA可以实现复杂的逻辑功能，规模大，稳定性强，易于调试和进行功能扩展。FPGA采用并行输入输出方式，处理速度高，适合作为大规模实时系统的核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引脚较多，加大了硬件设计和实物制作的难度。

方案二：采用单片机作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

基于以上分析，选择方案二,利用STC89C52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。在器件的选取中，D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片 TLV5618，直接输出电压值，且其输出电压能达到参考电压的两倍，A/D转换器选用高精度12数转换芯片AD7896。.

1.2.2 恒流源模块设计方案

方案一：由三端可调式集成稳压器构成的恒流源。

其典型恒流源电路图如图1.2.1所示。一旦稳压器选定，则U

是定值。若R固定不变，则

I 0不变，因此可获得恒流输出。若改变R值，可使输出 I

改变。因此将R设为数控电位器，则输

出电流可以以某个步长进行改变。此电路结构简单，调试方便，价格便宜，但是精密的大功率数

控电位器难购买。

图1.2.1 三端集成稳压器构成的恒流源框图

方案二：由数控稳压器构成的恒流源

方案一是在U

不变的情况下，通过改变R的数值获得输出电流的变化。如果固定R不变，若

能改变U

的数值，同样也可以构成恒流源，也就是说将上图中的三端可调式集成稳压源改为数控电压源，其工作原理和上图类似。此方案原理清楚，若赛前培训过数控电压源的设计的话，知识、器件有储备，方案容易实现。但是，由1.2.2图可知，数控稳压源的地是浮地，与系统不共地线，对于系统而言，地线不便处理。

图1.2.2 数控电压源构成的恒流源框图

方案三：采用集成运放的线性恒流源

该恒流源输出的电流与负载无关, 通过使用两块构成比较放大环节，功率管构成调整环节，利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和高输出阻抗，实现了电压—电流转换。其原理框图如图1.2.3所示。

图1.2.3 集成运放构成的恒流源框图

综合考虑，采用方案三，使用低噪音、高速宽带运放OP27BJ和达林顿管TIP122构成一个恒流源电路。

1.2.3 显示器模块方案

方案一：使用LED数码管显示。数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。

方案二：使用1602 LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。

综上所述，选择方案二。采用1602液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。

1.2.4键盘模块方案

方案一：采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多。

方案二：采用标准4X4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。

题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。综合考虑两种方案及题目要求，采用方案二。

1.2.5电源模块方案

系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用5V稳压电源，运放需要±15V稳压电源，同时题目要求最高输出电流为2000mA，电源需为系统提供足够大的稳定电流。

综上所述，采用三端稳压集成7805、7815、7915分别得到+5V和±15V的稳定电压，利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。

1.3 系统组成

经过方案比较与论证，最终确定系统的组成框图如图所示。