数控恒流源设计

数控恒流源设计

题目任务要求

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。

2、要求

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。

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。

总体方案

用单片机和FPGA数控恒流源。通过键盘预置电流值，单片机输出相应的数字信号给D/A转换器，D/A转换器输出的模拟信号送到运算放大器，控制主电路电流大小。实际输出的电流再通过采样电阻采样变成电压信号，A/D转换后将信号反馈到单片机中。单片机将反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就形成了反馈调节，提高输出电流的精度。本方案可实现题目要求，当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性，而且精度较高。

具体电路设计

1.电源电路

控制部分供电电源电路

还需要大功率供电电源，专门为VMOS管供电。因为负载中最大电流要达到2A，输出直流电压≤10V，所以该电源的输出功率至少要大于210=20W。作为大功率电源，我们选用220V-16V/50W的变压器，稳压芯片是金属封装的三端可

调稳压芯片LM317K STEEL P+，理论上安装散热片后最大输出电流可达3.4A，经实际测试，能够输出2A电流的指标。电路图如下：

恒流源部分供电电源电路

2.恒流源电路

恒流源电路由N沟道的MOSFET、高精度运算放大器、采样电阻等组成，其电路原理图如下图所示。利用功率MOSFET的恒流特性，再加上电流反馈电路，使得该电路的精度很高。

图中R1为负载电阻，输出电压变化的范围U<=10V，Imax<=2A，可以得出负载电阻R1<=5欧。

R2为取样电阻，是专门的发热电阻(阻值随温度变化较小)，R2=0.5欧。

运算放大器的输出控制着MOSFET的VGS，因此运算放大器输出的稳定性将直接决定系统输出电流的稳定性；同时，运算放大器还决定着系统输出电流的精度。为了满足系统的精度及纹波要求，选用精密运算放大器OP07。

3.D/A，A/D电路

经过理论分析，D/A 转换器和A/D转换器都应该选择10位以上的，才能满足转换精度.。

D/A我们选择MAXIM公司的MX7541。MX7541是12位低电源供电的D/A转换器转换器。电路图如下：

而对于A/D采样，一方面我们要求采样值的精度要高，另一方面我们要求采样转换速率要快。根据这两点我们选择了MAXIM公司的12位高速A/D转换芯片MAX197。

系统软件设计

在这个实验中,需要单片机处理的任务主要有两个部分：其一，基本工作，包括LCD显示,键盘扫瞄,各功能电路的送控制字.。其二，核心处理工作，MAX197将采样电阻上的电压采进单片机以后，单片机必须根据所采进来的值，判断我们所指定的电流值准不准确。如果实际值比设定值大的话，那么就减小D/A输出的电压；如果实际值比设定值小的话，则增大D/A输出的电压值。然后往复比较，直到采样值与设定值的差别在误差允许范围之间即可。

下图是单片机处理的流程图：