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1、数控直流电流源（F题）摘 要：本设计以 AT89S52 为核心，通过 A/D 、 D/A 转换、 V/I 转换及独特的算法实现了高精度的，电流输出范围为20mA2000mA的数控直流电流源。该电流源具有电流可预置，1mA步进，同时显示给定值和实测值等功能。关键字：89S52,数控电源，V/I转换Numerical Controlled Constant-Current SourceAbstract :The paper expounds the design of the numerical controlled constant-Current source. The system core
2、 is AT89s52.The A/D D/A V/I converts and the specific arithmetic is used to carry out high precision and the current output range from 20mA to 2000mA.The source realizes that the output current can be set, 1mA adjusted step by step, the display of the present value and the practice measure value 。Ke
3、y words :AT89S52, Numerical controlled source, V/I converter目录1. 系统设计1.1 设计要求1.1.1 基本要求1.1.2 发挥部分1.2 总体设计方案1.2.1 方案论证与比较2. 单元电路设计2.1 恒定电流源电路设计2.2 控制器电路设计2.2.1 单片机最小系统设计2.2.2 A/D、D/A 电路设计 2.3 键盘电路设计2.4 显示器电路设计2.5 稳压电源电路3. 软件设计3.1 软件设计流程图3.2 软件功能、算法及源程序：4. 系统测试4.1 测试使用的仪器4.2 指标测试和测试结果4.2.1 输出电流范围测试4.2
4、.2 步进调整测试4.2.3 输出电流测试4.2.4 结论5. 结语参考文献附录 1 主要元器件清单附录 2 单片机最小系统原理图附录 3 模块电路原理图附录4单片机最小系统PCB附录 5 模块电路 PCB附录6 操作说明： 1. 系统设计设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V, 50Hz；输出直流电压W10V。其原理示意图如下所示。图 1.1 数控直流电流源原理示意图1.1 设计要求题目要求设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V, 50Hz；输出直流电压W10V。其要求如下：1.1.1 基本要求(1) 输出电流范围：200mA2000mA；(2) 可设置并显示输出电流给定
5、值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值W给定值的1%+10 mA；(3) 具有“ + ”、“-”步进调整功能，步进W 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W输出电流值的1%+10 mA；(5) 纹波电流W2mA；( 6)自制电源。1.1.2 发挥部分(1) 输出电流范围为20mA2000mA，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W 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W输出电流值的0.1%+1 mA；(4) 纹
6、波电流W0.2mA；( 5)其他。1.2 总体设计方案1.2.1 方案论证与比较(1) 恒定电流源模块方案方案一：采用开关电源的开关恒流源。其组成方框图如图1.2所示。图中C、C2为滤波电容；K是开关器件；D是 续流二极管；L是扼流圈；PWM是脉宽调制电路；Kf是电流反馈电路；Ro是电流取样电阻。在原理图电路上，通过精 选元器件和采用合理的结构设计，可以使电路的分布参数得到有效控制。采用开关电源的开关恒流源主要特点是：振 荡反馈电容小，阻抗大，反馈电流小。图 1.2 采用开关电源的开关恒流源组成框图方案二：采用集成稳压器构成的开关恒流源。图1.3所示是是三端集成稳压器构成的开关恒流源。当设定电
7、阻R 定时，电路给负载R。提供一恒定电流当Rl发生变化时，由IC的输入输出压差进行自动补偿而使负载电流保持不变。图1.3 采用集成稳压器构成的开关恒流源原理框图方案三：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1.4所示。图1.4 采用集成运放的线性恒流源原理框图综上所述，采用方案三，使用低噪音、高速宽带运放LF356和中功率管TIP42C等构成一个恒流源电路。（2）控制器模块方案方案一：采用FPGA作为系统的控制
8、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AT89S52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89S52单片机将电流步进值或设定值通过
9、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，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16位模数转换芯片AD7705。（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LCD显示。LCD具有轻
10、薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，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19264D汉字图形点阵液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。（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
11、方案及题目要求，采用方案二。（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12V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、7812、7912分别得到+5V和12V的稳定电压，再外对LM7812加功率管 构成扩流电路，达到可以提供3A以上的电流。利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。122 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。图 1.5 系统组成框图2. 单元电路设计2.1 恒定电流源电路设计恒流源电路主要由运算放大器和大功率管等组成，如图2.1所
12、示。图中U1是LF356,这是一个JEFT输入的高速 宽带运算放大器，可以稳定工作2V40V之间。具有输入阻抗高、带宽高（5MHz）、速度快（12V/us）、噪声低等优点。 U1A、R3、R5组成电平转换电路，保证U1B的同相端电位随直流电压VAC的变化而同步变化，使得D/A转换后的电 压值与R5上的电压值相等，即满足VAB=VIN，以避免直流电压VAC变化时电路的输出电流也随之变化。U1B、Q2 与Q3构成电压跟随器，因此有VAB=VAC，该电压跟随器和R5等一起组成一个V/I转换电路。由此得到恒流源输出电流的大小为:对于题目基本要求中的输出200mA2000mA，在实际电路测试中容易达到，
13、但考虑到发挥部分的输出20mA2000mA，受限于元器件的来源，我们采用了分段控制电路，在软件上也加以辅助，从而用较常见的器件实现 了题目发挥部分的输出 20mA2000mA 的要求，取得了良好的效果。图 2.1 恒流源电路图2.2 控制器电路设计2.2.1 单片机最小系统设计通过键盘模块输入给定的电流值或是步进调整信号传送给单片机，单片机在接受到信号后进行处理运算，并显示 其给定的电流值，然后经D/A转换以输出电压，驱动恒流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电压经过A/D转换 输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出，并驱动显示器显示当前的电流值。最小系统的核心为AT89
14、S52，为了方便单片机引脚的使用，我们将单片机的引脚用接口引出，电路如图2.2所示.P0 口和P2.0P2.3是LCD接口； P3 口作为A/D与D/A转换接口，其中P3.0P3.2是D/A转换器的接口； P3.3P3.7是 A/D转换器的接口 ;P1 口为键盘接口。图 2.2 由 AT89S52 为核心的单片机最小系统2.2.2 A/D、D/A电路设计（1）D/A 转换器根据设计基本要求，电流的输出范围为200mA2000mA，将最高输出电流2000mA进行十进制二进制转换有 要满足步进为1mA的要求，需选用十二位的D/A转换器，TLV5618是较好的选择。TLV5618是带有缓冲基准输 入
15、（高阻抗）的双路12位电压输出DAC。DAC输出电压范围可编程为基准电压的两倍，其输出电压Vout=2 X Vref X D/4096 有两个输出端口 A和B,且它们可以同步刷新。此外，该器件还包含上电复位功能。通过3线串行总线可对TLV5618 实现控制，可采用单5V电源进行供电。在快速、慢速模式下功耗分别为8mW和3mW，输入数据的刷新率可达 1.21MHz。（2）A/D 转换器A/D转换器选用带信号调理、lmW功耗、双通道16位AD转换器AD7705。其串行数据接口包括5个：片选输 入口，串行施密特逻辑输入时钟SCLK，数据输入口 DIN,转换数据输出口 DOUT,指示数据准备就绪的状态信号输 出口。在电路中，AD7705与单片机P1.5P1.7 口相接，通过编程模拟AD7705的通信时序实现对AD7705的操作，然 后通过程序查询该管脚是否为低电平，从而实现对AD7705中寄存器数据的读取。如图2.3所示为A/D与D/A转换电路图，其中CON8接口与单片机最小系统的P1 口相接。图 2.3 A/D 与 D/A 转换电路图2.3 键盘电路设计在设计中，使用标准的 4x4 键盘，可以实现 09 数字输入，“+”、“-”、
