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1、数控直流电流源作者：李高望 陆樨 张江松赛前辅导老师及文稿整理老师：尹仕 摘 要利用单片机所具有的智能测控特点，设计制作了基于单片机的“数控直流电流源”。该电流源具有设定准确、输出电流稳定、可调范围全程线性等特点。本设计由两大模块组成： 大功率压控电流源模块； 单片机应用系统模块。前者是电流源的核心，起着恒流调节、抑制纹波电流的关键作用；后者则起着设定电流源输出、改善电流调节精度、消除小电流输出的非线性等作用。此外，还实现了变增益测量，提高了电流的测量精度。本电流源采用LCD显示界面，使用直观方便。 AbstractBy making good use of the intelligent m
2、easure and control function of the Microprogrammed Control Unit(MCU), the numerical-controlled direct current source is designed and made. This direct current source not only can steadily output, but also can be accurately initialized, and adjusted linearly at a wide range. The design is composed of
3、 two basic modules: The high-power voltage-controlled current source module; The MCU application system module. The former one is the hard core of the current source, while keeping the output current steadily and restraining its ripple. The latter one controls the initialization of the output, impro
4、ves the precision of the output signal and eliminates the nonlinear effect at the low output terminal made by small signals. In addition, the design realizes the measurement to make the gain variable, so that we improve the measure precision of the current source. Besides, using LCD makes the direct
5、 current source more convenient to use. 一、方案论证本系统主要由单片机、显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器、电压控制电流源模块、电源等组成。方案设计与论证如下：1单片机的选择对单片机的要求：只要能够方便地扩展显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器等外设即可，其他并无特殊要求。常见的单片机有8051系列的单片机、8096系列的单片机、SPCE061A的凌阳单片机。台湾凌阳科技股份有限公司生产的凌阳单片机具有集成度高、易于扩展，中断处理能力较强，指令系统很高效等特点，且本组成员均能够熟练使用，故本设计选择凌阳SPCE061A型16位单片机。2显示器的
6、选择对显示器的要求：能够显示设定的输出电流、实际输出电流等；可以用6位以上LED数码显示器、液晶显示器或者触摸屏，LED使用比较方便，但液晶显示器和触摸屏显示信息量大，且可以显示汉字，人机交互的友好性强，所以不采用数码显示器。而触摸屏同时将键盘输入和LCD显示合为一体了，它只占用了2个IO口，选择它既可以减少IO口的资源，又可以使外设精简。故选择触摸屏作为显示器。3键盘选择单片机输入设备通常有键盘、拨码开关、触摸液晶屏等，也可以采用红外遥控的方法进行输入。鉴于本设计中的输入设备主要用于设定输出电流值和（采用LED数码显示器时）切换显示内容，故不方便采用拨码开关和红外遥控，所以选择键盘和触摸液晶
7、屏作为输入设备都是可以的。本设计选择触摸液晶屏作为输入设备。4A/D转换器根据题目要求，系统应能测量显示实际输出电流的范围及精度指标是：范围202000mA，精度0.11mA。因此可知，A/D的精度至少要在12位以上，但由于只是用于测量显示，因而测量速度要求不高；又因为测量对象为直流信号，故也没有双极性测量的要求。据此可以考虑采用以下具有变增益功能的A/D转换器。方案一：ICL7135是美国Intersil公司生产的4位半双积分型A/D转换器，它采用单基准电压，能对双极性输入的模拟电压进行转换。它具有自动量程控制信号输出，自动极性判别信号输出，动态字位扫描BCD码输出的特点，因此在转换精度要求
8、较高而采样时间可以相对较慢的数据采集系统中被广泛应用。方案二：AD7705是16位分辨率的A/D转换器，2通道全差分模拟输入，使用5V单电源，主要应用于低频测量。它利用了转换技术实现了16位无误码性能，三线数字接口，可以通过串行输入接口由软件配置芯片的增益值、输入信号极性和数据更新速率，非常灵活方便。具有自校准和系统校准功能，能够消除器件本身和系统的增益以及偏移误差，是用于开发智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想产品。由于其精度比ICL7135高，所以此处采用AD7705。5D/A转换器根据题目要求，所设计的直流电流源应具有数控功能，按发挥部分的指标要求，应满足输出最大2000mA，步
9、进1mA的要求；又因为所设计的直流电流源为压控电流源，因此，用“单片机D/A”的方式实现数控功能最为合适。根据指标要求，D/A的位数至少为11位，故而我们选择12位的D/A转换器。由于系统对输出电流设定的实时性没有要求，所以选择串行12位D/A MAX532以节约单片机接口资源。MAX532是MAXIM公司生产的12位双通道、三线串行输入、电压输出的D/A转换器。它不需要任何外围器件就可达到最佳的性能指标。6压控电流源电压控制的电流源模块，可采用的方案有以下三种： 功率集成运放，如OPA501、OPA541、PA05等； 运放晶体三极管放大； 可调集成稳压模块，如LM317。方案一：直接使用功
10、率集成运放。特点：使用容易、性能稳定可靠。常用的功率集成运放一般能够输出40V，1015A的功率，性能指标也较高，完全能够满足本题要求。功率集成运放还可以双极性输出，但本题只需单极性输出，却需要为功率集成运放配置正负双电源。方案二：利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。特点：直接利用稳压片提供所需功率，只需要添加相应控制电路即可实现本题的大部分要求，但是，其电流调整率指标只能达到0.5%0.15%，不满足题目要求，方案三：采用“运放功率三极管”的结构构成恒流源。特点：性能满足本题要求，同时可以通过选用功率三极管的不同容量来满足不同的应用要求。鉴于上述原因，我们选
11、用方案三。7电源设计了两套直流稳压电源，一套为单片机及其外设提供工作电源，另一套为大功率三极管及其电流源负载提供电源，两套电源分开，可以提高系统工作的稳定性。（1）为单片机系统提供电源的直流稳压电源该电源按常规设计，输出电压等级有5V，15V。电路原理图如图1、图2所示。图1 +5V电源图2 5V与15V电源（2）为电流源负载提供功率的电源在对为电流源负载提供功率的电源进行设计时，我们考虑了两套方案：直接采用不稳压的整流电源； 采用直流稳压电源。考虑到系统对容量的要求以及对纹波电流的要求，我们选择了用LM317构成的可调稳压电源。其优点是： 可以进行预稳压，以提高输出电流对输入交流电源电压变化
12、的稳定度； 为压控电流源电路提供具有稳压特性且很小纹波的高质量的工作电源，以有效降低输出电流纹波系数； 可以根据输出电压要求合理整定压控电流源电路的工作电压，在LM317和末级功率三极管间分散负担并合理分配功率损耗，方便散热；其电路原理图如图3所示。图3 1.2521V可调电源稳压电源电路输出电压为：VO = VREF (1 + R2/R1) + IADJ R2输出调节电路中固定电阻1取150W，此时电位器R2选取10k精密线绕电位器，因整流桥输出为26V直流电，故Uomax能满足15V需求，经测量，最大可达到21V。输入输出端滤波电容各取24700F，以减小纹波电压，稳定输出电压，增强带负载
13、能力。选取IN5404，可防止输出输入短路时烧毁芯片。二、电路设计1A/D转换（AD7705）(1) IO口资源分配 DOUT接IOA0，为了使将它的数据更方便的读出来，将它放在第一位，初始化为带上拉电阻的输入口； DRDY接IOA1，初始化为带上拉电阻的输入口； DIN接IOA2，经数据缓存器输出低电平； SCLK接IOA3，经数据缓存器输出低电平； RESET接IOA4，经数据缓存器输出低电平； (2)硬件电路设计 图4为AD7705的引脚连接图。图4 AD7705的引脚连接图 23脚间的晶振用小的好，这里采用1MHz，加电容效果更佳。CS接地。 在电源VDD接触处，加两个滤波电容，一个1
14、0F的电解电容和一个0.1F的独石电容，以稳压用。芯片的电源供电越稳定，纹波越小，其性能越好，采样值越稳定。2D/A转换（MAX532）(1)IO口资源分配 DIN接IOA5，同相低电平输出； SCLK接IOA6，同相低电平输出； CS接IOA7，同相高电平输出。(2)硬件电路设计如图5所示，在正电源VDD和负电源VSS上也加上了两个滤波电容，一个10F的电解电容和一个0.1F的独石电容，同AD7705，目的同样是稳压。可以是电源纹波小，使芯片工作时性能好，输出的波形更加稳定。为之后稳定电流的输出奠定了良好的基础。图5 MAX532的引脚连接图3压控电流源模块电压控制的电流源电路如图6 所示。
15、压控电流源模块主要由给定与比较放大单元、功率放大单元和电流反馈单元组成。给定与比较放大单元由U1（OP07）及其外围阻容器件组成，起着计算给定电流与实际输出电流偏差并进行放大的作用。与R2并联的电容器C9起加速反馈的作用，与运放反馈电阻并联的电容器C10起滤波作用，二极管D1起电压钳位作用，用以保护运算放大器；功率放大单元由Q1、Q2和Q3及其配套阻容器件组成，为满足最大输出容量（10V，2000mA）的要求，选取最严重工况（负载端短路且输出2000mA）计算Q3的功率损耗：（105）V2A30W式中，5V是考虑电流源输出10V电压，输出2A电流时，为Q3留出的ce极间电压。为可靠起见，留有足够的功率裕量和安全系数，选择Q3的型号为：2N5886。 图6 电压控制的电流源其主要技术参数如下：100V，25A，允许管耗300W。C14起纹波抑制作用，二极管D3用以保护功率三极管Q3，防止其承受反压而损坏；电流反馈单元由仪用放大器AD620和低噪声运放OP07构成，前者对串联在负载回路的康铜丝两端电压进行取样，康铜丝是一种温度特性佳的阻性元件，其两端电压正比于流过的电流，因此该电压的反馈就是负载电流的反馈。仪用放大器具有极强的抗共模干扰的能力，特别适合对小信号进行放大。OP07作为二级放大且其输入端设置一个反馈
