数控恒流源实验报告设计

数控恒流源实验报告设计

摘要：本系统是以msp430单片机为控制器,由矩阵键盘、液晶显示器、D/A转换电路、恒流源电路、电流采样电路及直流稳压电源电路组成的数控恒流源实验电路。该电流源具有输出电流稳定、可调范围输出电流与输入电压呈线性关系的特点。系统基本工作原理为：键盘设定直流电源的输出电流，单片机通过D/A转换电路控制恒流源的输入电压，由于恒流源输入电压与负载电流的线性关系且负载电流只随输入电压变化而变化从而实现数控恒流的目的，另外单片机通过电流采样电路及A/D转换回检负载电流并通过液晶将采样电流值显示出来。最后经实验验证，本系统输出电流稳定，不随负载变化而变化。。。关键字：键盘、D/A、恒流源、采样电路、A/D

一、方案论证与比较

1.1直流稳压电源

方案一：采用单极开关电源，由220V交流整理后，经开关电源稳压输出。该方案的优点是电路效率高，但是此方案产生的直流纹波和干扰比较大，而且开关电源结构复杂。

方案二：采用交流电压经桥式电路整流滤波输出，直接进入稳压电路。此方案的优点是电路简单、容易实现、方便调试，只是该方案功率损耗较大，但是在小型非连续工作系统中这些功耗可以承受。综合考虑，选择方案二。

1.2恒流源模块

方案一：由运算放大器、大功率场效应管、采样电阻、负载电阻等组成恒流源。此方案既能满足输出电流达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性控制电流。

方案二：可通过由集成稳压器构成开关恒流源来构成恒流电路。通过三端集成稳压器可构成开关稳压源。当把电阻设为一定值时，当回路中负载发生变化时可有集成稳压器进行自动补偿从而使输出电流保持不变，但此电路带负载能力及调节精度存在一定难度。综合考虑，本系统采用了方案一。集成稳压器构成的开关恒流源电路图如下：

二、系统设计

2.1系统方案设计

本系统以直流电流源为核心，msp430单片机为控制器，通过矩阵键盘来设置直流电源的输出电流，由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换模块输出模拟量，控制直流电流源的输入电压，随着输入电压的变化而输出不同的电流，设置步进等级可达1mA。再通过电流采样电路实时检测，并将模拟量转换为数据量，单片机再进行分析处理数据，并由液晶显示实际输出电流值和电流设定值。

数控电流源系统框图

三、单元模块电路设计与分析3.1数控电压模块

3.1.1电路设计

3.1.2电路分析

DAC7811为电流型DAC ，所采用的是单极性接法，参考电压为3.3V 根据DAC7811内部结构此电路需将D/A 输出转换成正电压，方案是将D/A 输出端后接一级反相比例运算放大器。DAC7811为12为D/A ，其分辨率为4096/1。经仿真测试，恒流源输入电压每变化

4096/3.30008.0≈V 输出电流变化大于1mA ，故需减小恒流源输入电流

的变化级即在数控电压模块的输出电压做分压，如上图所示。

3.2恒流源模块

电路设计:

电路分析:电路中调整管采用场效应管IRF540。采样场效应管既能满足输出电流达到2A 的要求，也能较好地实现电压近似线性控制电流。因为当场效应管工作于恒流区时场效应管的导电沟道出现夹断，如果

DS U 不断增大夹断区会不断延长，在这过程中漏极电流D I 保持基本稳

定，几乎不受DS U 的影响，其大小GS U 决定。即当DS U 为常数时有

)(GS D U f I =，只要GS U 不变,D I 就不变。在此电路中,17R 为采样电阻，

采用康铜丝烧制，其阻值随温度变化很小，阻值为Ω1。运放采用OPA358作为电压跟随器，I U 17R U =，负载电流S D I I I ==0所以

1717170R U R U I R I ==即输入电压I U 控制电流0I ，电流0I 不随负载变化从而实

现压控恒流。

说明：由于实验任务要求负载电压V U 100≤，负载电流最大为A 2、最小为20mA 。即负载电阻应在保证V U 100≤的前提下，负载电阻可在5Ω~500Ω变化。

3.3电流采样与显示模块

电路设计：

电路分析：本模块主要是对采用电压采样，将模拟量转换为数字量后送给单片机，然后单片机对数据进行处理，最后将输出电流值用液晶显示出来。ADC_COUNTOR表示采样电阻两端电压，后接射级跟随器来提高带负载能力，此时已将采样电压反相了，再接反相比例运算放大电路是将采样电压放大和反相，保证采样电压为正电压送给单片机A/D。在系统实际测量时，可根据电流测量结果调相关的滑阻使测量结果更接近与设定值。

说明：采样电阻为Ω

1，而输出电流要求在20mA~2A范围，故采样电阻两端电压在20mV~2V的范围，而由于本系统中的变压器允许最大电流为1A，故对系统数据测量及输出电流的精度产生一定的影响。

3.4直流稳压电源模块

电路设计：直流稳压电源一般由交流变压器电路、整理电路、滤波电路、集成稳压电路四个部分组成。整流，即将交流电压变为脉动直流电压；滤波，即是除去脉动直流电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压，即是减小电压波动的影响，使输出电压稳定。直流电源原理框图如下：

电路原理图如下:

电路分析：直流稳压电源中整流电路采用了单相桥式整流电路，其电源利用率高；滤波电路采用的是LCπ型滤波电路，是电容滤波与电感滤波电路的组合，其滤波效果会更好，使脉动直流更加平滑；稳压电路采用了三端可调式集成稳压器LM317与LM7915，当调节可变电阻时，其输出电压发生相应变化；另外此电路采用PNP型功率管扩大输出电流。

四、软件设计

软件设计的主要是控制D/A、A/D及键盘。

软件基本功能实现有：

（1）控制键盘，包括有键盘扫描、设定值、加减步进功能，确定电流步进调整是1mA；

（2）控制D/A、A/D工作，设置给定电流、测量输出电流；

（3）单片机对反馈回来的电流值（单片机处理的数据）进行PID算法控制。PID算法主要是修正测量电流值和设定电流值的偏差，调节下一次的送给D/A的输出值，使得最终电流输出值更接近于设定值，实现了软件上的闭环控制，从而提高了测量精度。（4）驱动液晶显示器显示设定电流值及电流测量值；

软件流程图如下：