数控正弦电流源 大学生电子设计竞赛

数控正弦电流源大学生电子设计竞赛

数控正弦电流源

摘要：本系统以压控正弦电流源为核心，输入交流200～

240V，50Hz，输出正弦电流，负载电压<15V。原理框图如下：以AT89S52为主控制器，通过键盘来设置电源的输出电流值和峰谷值，及频率，具有“+”、“-”步进调整功能，电流步进等级为2mA，输出电流范围0～2000mA；频率范围为10到100HZ，可任意设定，默认值为40HZ；电流峰谷值可任意设定，但设定范围不超过电流平均值，峰谷默认值为63mA。本系统输出电流在1000mA 以内时相对误差不超过0.2%，输出电流在2000mA以内时误差不超过0.5%。另外，本系统可以通过液晶显示电流值，峰谷值，频率。

通过单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（TLC5615）输出模拟量，然后经过电平转换，运放放大器，压控正弦电流源，输出所需电流。

压控电流部分由精密运放OP07，大功率场效应管（MOSFET）IRFP460及大功率精密电阻组成，它具有结构简单，精度较高的特点。

本题使用两套供电系统。为满足本题中最大电流为2000mA的要求，我们制作了开关电源，它具有功率大，体积小，效率高的特点。考虑到系统的稳定性及精度要求我们又制作了线性电源，为最小系统及压控部分单独供电。

本设计全面达到并超过了基本要求，发挥部分能满足大部分要

求，扩展部分增加了掉电后记忆上次设定值的功能。

关键词MCU、D/A转换器、EEPROM、MOSFET、压控电流源

一、引言

随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用，滤波器的体积和重量也很大。而调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右，另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子设备发展的要求，从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。

本设计就是利用单片机对正弦电流源的输出电流进行控制，进而实现对系统输出电流值进行智能控制，满足输出电流范围为

0~2000mA，步进为10mA的要求，加入了负载电压测量电路能同时显示电流的给定值，测量误差满足要求，且具有较高的性能，在输出电压变化时输出电流的稳定度能较好的满足要求。

二、总体方案论证与选择

2.1根据题目要求制定的设计目标

根据设计要求和使用的需要，设计的数控正弦电流源具有以下功能：

（1）电源输出电流范围0～2000mA，可预置，步进2mA，可以设置电流的峰谷值及频率，具有测量负载电压的装置，可显示电流的给定值，峰谷值，频率，测量误差满足要求。

（2）用户对数控电源的控制，通过4×4键盘进行控制，通过键盘可实现一下功能：

·选择“步进”时，可通过“+”、“-”以2mA为步长逐步控制输出电流的增减。

·选择“预置”后，LCD显示的输入电流值消失，通过按键0～9从高位到低位逐个输入待输出电流的值，再按下“确定”后确定输入的输出电流值并通过D/A改变输出电流；如按下“步进”返换回之前的电流值进入步进状态。

（3）整机由自制稳压电源供电，输入交流220V，输出直流±15V，+5V的线性电源和专门给负载供电的+15V开关电源。

（4）具有负载电压测量装置并通过LCD1602显示。

（5）由于是简易电源，在设计时充分注意成本因素，使电源具有较高的性能价格比。

（6）因为本设计任务为制作电源，为其他设备供电，所以安全性很重要。考虑到若在设定时不对输出值进行任何操作则电源输出值不确定，有可能会损坏负载，故本设计采取了在每次设定时先由控制器对输出值清零的方法。

2.2各种实现方案比较论述

2.2.1 调整管方案

基本框图如图2.2.1所示，此方案主要特点在于使用一套双计数器完成系统

的控制功能，其中二进制计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统正常工作，必须保证双计数器同步工作。采用中小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内部借口信号烦琐，中间相互关联多，抗干扰能力差，双计数器一旦出现计数不同步，会导致显示电压与输出电压不一致；输出部分采用线性调压电路，以改变其基准电压的方法使输出步进增加/减小。

图2.2.1 调整管方案基本框图

2.2.2 MCU作为主控制器的方案

本方案以MCU作为主控制器，通过压控电流源电路把电压信号转化为电流信号，用键盘来控制，通过显示部分把MCU处理的结果反馈给用户。

2.2.2.1MCU的选择

在众多MCU芯片系列中，我们主要有以下选择：（1）

MSP430系列

MSP430系列单片机是由TI公司开发的16位单片机。其突出特点是超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。它的另一个特点是a/d，包含了具有8个外部通道的12位高性能A/D转换器。利用芯片内置的自动扫描功能，A/D转换器可以不需要中央处理器的

协助而独立工作。另外它还包括看门狗、脉宽调制定时器(PWM)、比较器、USART口以及输入/输出引脚等部件。

由上可知MSP430系列单片机具有很多外加功能，但是它的这些外加功能在本题中几乎不需要，而且作为电源，它主要的省电方法应该在如何提高转换效率上而不是芯片的功耗上，因为芯片的耗电量远小于系统因发热带来的损耗。它还有一个弱点：价格较高。

（2）Avr系列

Avr系列单片机是ATMEL公司生产的8位单片机。它废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长

度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。

它的flash+内置eeprom是很好的卖点。而且它还内置10位

A/D、看门狗、脉宽调制定时器(PWM)、比较器、USART口等部件，功能强大。但是这些功能在本设计中几乎无用武之地，另外，Avr单片机价格较高。

（3）MCS-51系列

MCS-51系列单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等基本功能部件，它是单片机的基本型号，其他系列单片机多是在51系列的基础上添加一些其他功能或是某些功能更加完善。它应用广泛，价格低廉，具有单片机的基本功