数控恒流源设计报告.doc

1、1数控恒流源设计报告设计人员：黄津毅 侯茂斌 伍晶 龚佐为系 别： 物理与信息工程系 专 业： 电子信息工程与技术 年 月 日2目 录摘要 I关键词 IAbstractIKeywordsI1 设计任务与要求 51.1 基本要求 52.2 发挥部分 52 系统方案的设计与论证 62.1 各种方案的比较与选择 73.2 方案论证 83 系统总体框图 .153.1 电源供电部分 .153.2 电流测量与显示部分 .163.3 键盘输入与单片机的最小系统 .163.4 总的电路原理图 .174 系统软件设计 .184.1 程序总体流程图 .185 系统的组装 .185.1 PCB 板图 185.2 整

2、机结构图及工艺原理 .216 系统调试 .236.1 测试方案 236.2 测试仪器 236.1 测试结果 23参考文献 .233致 谢 .22附录 .234摘要本系统以直流电流源为核心， AT89s52 单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达 1mA，并可由液晶 显示电流设定值和实际输出电流值。本系统由单片机程控设定数字信号， 经过 D/A 转换器（tlv5618）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变 化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/ 电压转换 后，通过 A/D 转换芯片，

3、实时把模拟量转化为数据量，再经单 片机分析处理，通过数字量形式的反 馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系 统能有效 应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域 关键字压控恒流源 智能化电源 闭环控制AbstractIn this system the DC source is center and 89s52 version single chip microcomputer (SCM) is main controller, output current of DC power can be set by a keyboard which step level

4、 reaches 1mA, while the set value and the real output current can be displayed by LED. In the system, the digitally programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC (tlv5618), then the analog value which is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electro

5、de of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of power transistor. On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog v

6、alue is converted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. The test results have showed that it can be applied in need areas of constant current

7、source with high stability and low power. Keywordsvoltage-controlled constant current source, intelligent power,closed loop control5设计任务与要求1.1 设计任务设计并制作一个数控直流电流源。输入的交流电压 220240V,50Hz；输出的直流电压10V。其原理示意图 1 如下所示。图 1 设计任务示意图 1.2 技术指标基本要求：（1） 要求电压输出范围：2002000mA；（2） 可设置并输出电流给定值，要求输出电流和给定电流的偏差的绝对值给定值的 1%+10

8、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，要求输出电流的变化的绝对值 输出电流的 1%+10mA；（5） 纹波电流 2mA；（6） 自制电源。发挥部分：（1） 输出电流范围为 202000mA，步进为 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或实测值） ，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 输出电流的 0.1%+1mA；（4） 纹波电流0.2mA;（5） 其他。62方案比较与论证 2.1.1

9、 各种方案比较与选择方案一：采用中小规模集成电路构成的控制电路。由三段可调式集成稳压器构成的恒流源。以 W350 为例，其最大的输出电流为 3A，输出电压 Uo为 1.233V。其典型的恒流源电路如图 2 所示。图 2 W350 当可调稳压器 W350 调解在输出电压 Uo=1.2V 的时候，若 R 固定不变，则输出电流保持不变。因此可获得恒流输出。此方案的优点：结构简单、外围元件少、调试方便、价格便宜。缺点：精密的大功率的数控电位器难购买。方案二：采用以单片机为核心的单片机最小系统。由数控稳压器构成的恒流源（如图 3）。7图 3 数控稳压器 方案一是在 Uo不变的情况下，通过改变 R 数值而

10、获得输出电流的变化。如果固定 R 不变，如令 R=1，若能改变 Uo的数值，同样可以构成恒流源。此方案的优点：原理清晰，只需要数控恒压源的设计知识和器材的话，方案比较容易实现。缺点：数控恒流源的地是浮地，与系统不共地线。方案三：采用以单片机为核心的单片机最小系统。采用电流串联负反馈机理构成恒流源。采用电流负反馈机理构成的原理图如下图 4 所示，它由 LM399 型精密基准电压源、DAC、低噪声误差放大器 A、调整管、负载电阻 RL，取样电阻 RF 及精密多圈电位器 RP 等组成。来自 CPU 电流控制字数据加至 D/A 转换器，转换成电压信号通过多圈电位器 RP 加在运放 A 的同相段。由 A

11、、VT、RL、RF 构成典型的电流串联负反馈。8图 4 电流串联负反馈 方案三的优点：原理清晰，只要需要数控电压源的知识，元件资料。实现此方案很简单。2.2 方案证论整个系统根据其外围设备的复杂程度、花费成本，从系统可靠性、稳定性出发，以及根据现有的条件，采取合理的选择。电源供电部分，选用常见的三端稳压，因其电路简单，输出电压稳定，成本低，被广泛应用。该电源部分的重点在于恒流源的电源提供，要求其恒定电流需达到 2A，故一般的三端稳压芯片难以达到要求，故根据现有的条件，该部分不经过稳压，直接通过整流、多次滤波之后接入恒流源电路( 效果显著) 。尽管整个系统带负载能力不强，但是通过电流较大，热量消

12、耗的功率非常大，并且对其稳定度要求非常高，所以为避免电路的供电部分对恒流源产生干扰影响，整个系统必须要两个变压器，一个给电路供电，一个专为恒流源部分电流。恒流源部分，选用电流串联负反馈电路构成的恒流源，该电路简单，原理易懂。该部分为整个系统的核心电路部分，通过由 MCU 控制输出数据，经过 D/A 转换得到的电压值接入误差放大器的同向端，其反相端则是由流经采样电阻上的电流，采样得到的电压。通过误差比较，若不相等则通过误差放大，放大后的误差电压，通过转为电流信号接入调整管的基极。通过采样反馈回的电流信号的变化，调整管通过调整使得采样反馈回的电压 Uf等于 MCU 控制输出，经由 D/A 转换输出

13、的电压值，以达到数控的目的。 D/A 转换器(TLV5618)具有 4096 种状态，完全能满足要求。设计时两个电流控制字，代表 1mA,当电流控制字从 0,2,4，4000 时的，电源输出电流分别为 0mA,1mA,2mA,2000 mA。TLV5618 是串行输入，串行输出的 12 位 D/A 转换器。它需要一个基准电压源，选取精度高，电压温度系数小、性能好的精密基准电压源 LM399。其基准电压为 6.95V。由 D/A 转换器 TLV5618 产生的模拟量 Uf1 加在误差放大器的同相端，若将 Ui 作为运放 TL082 的输入量，则由采样电阻 Rf 引入的反馈是典型的电流串联负反馈。

14、其输出的电流 Io 只取决 Ui 和 Rf 的大小。即 Io=U_ / RfU+ / Rf=Ui / Rf。若 Rf 取定，Ui 不变，则 Io 恒定。这即是恒流源的工作原理。9若 Rf 一定，Ui 随电流控制字的变化而变化。故 Io 也随电流控制字的变化而变化。根据题目要求，输出电流 Io 的变化范围为 202000mA，则 Imax=2000mA。取 Rf=0.5,则 Ufmax=Uimax=Vnmax=IomaxRf=1V。这就意味着当电流控制字为4000 时，对应 D/A 转换器输出的电压值 Ui 为 1V。于是可求得 D/A 转换器满幅值为4095/4000=1.02375 (V)

15、.(1)此值就是 TLV5618 的参考电压值。通过精密多圈电位器 RP1 调节很容易得到这数值。于是，不难推出输出电流 与电流控制字的表达式I0（8.3.6）)(501K10inREF0 2D2UmAiii 由 8.3.2 节的分析可知，这一部分性能好坏，直接影响系统的技术指标是否可以满足，下面就电路中关键的几个元器件进行讨论。1） 采样电阻的选择采样电阻的选择十分重要，要求噪声小，温度特性好，所以最好选择低温度系数的高精度采样电阻。例如，锰铜线制成的电阻，温度系数约 5ppm/。另外，由于采样电阻与负载串联时流过采样电阻的电流通常比较大，因而温度也会随之上升，可以通过减小载流量和增加散热面

16、积来避免因温度过高导致采样电阻值发生变化。在条件允许的情况下，还可以采用风冷的办法解决。另外采样电阻阻值取大一点，对稳定度有好处，但会使系统效率下降，折中考虑取 R=0.5 。2） 调整管的选择由于稳流电源的输出电流全部流经调整管，因此调整管上的功耗将会很大，必须选择大功率的晶体管来做调整管。为了与误差放大器更好地匹配，我们采用由一只三极管 8050和功率管 MJE8055 组成的复合管结构，MJE8055 的最大输出电流可以达到 8A。通常调整管承受的电压和流过的电流时变化的，在极限情况下，即最小输出电压和最大输出电流时，为了防止调整管上的功率损耗不致过大，又要防止它进入饱和状态，最好采用稳

17、流电源的输入电压随其输出电压的改变而进行调节，使调整管的集射电压保持不变，但由于时间和条件的限制，本设计中没有采用。3）误差电压放大器电流稳定度与放大器有直接关系，在大功率电源里基本上是倒数关系。例如，若要求电流源的稳定度小于 ，则放大器的放大倍数要大于 10000。现有的集成运算放大器基104本上都能够满足这一要求。本设计选用 TL082 作为误差放大器，其具有：1.2V/V( )，0.5V/V( )的高增益；300V 的低输入失调电压；2kRL 60L1.5nA 的低失调电流；2.5V/低温漂；0.55V 的低噪声电压。由于采样电阻选取 0.5 ，其最大采样电压为 1V，而负载端最高电压为

18、 10V，复合调整管 。于是要求误差放大器的最大输出电压为 12.4V，为了防止放大器进入饱1.4VUBE和区，设计将放大器的工作电压取为 。V153） D/A 转换器的选择由 8.3.2 节分析可知，D/A 转换器的性能好坏直接影响系统的技术指标，设计选择了具10有掉电模式的 12 位电压输出 D/A 转换器 TLV5618。 特点。.电源：2.75.5V.可编程置位时间：3S（高速模式） ；9S （低速模式）.差分非线性：100dB（G=10）.低噪声：峰峰值/Port Definitions*sbit LcdRs = P20;25sbit LcdRw = P21;sbit LcdEn =

19、 P22;sfr DBPort = 0x80; /P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.数据端口/内部等待函数*unsigned char LCD_Wait(void)LcdRs=0;LcdRw=1; _nop_();LcdEn=1; _nop_();while(DBPort/在用 Proteus 仿真时，注意用屏蔽此语句，在调用 GotoXY()时，会进入死循环，/可能在写该控制字时，该模块没有返回写入完备命令，即DBPortreturn DBPort;/向 LCD 写入命令或数据*#define LCD_COMMAND 0 / Command#define LCD

20、_DATA 1 / Data#define LCD_CLEAR_SCREEN 0x01 / 清屏#define LCD_HOMING 0x02 / 光标返回原点void LCD_Write(bit style, unsigned char input)LcdEn=0;LcdRs=style;LcdRw=0; _nop_();26DBPort=input; _nop_();/注意顺序LcdEn=1; _nop_();/注意顺序LcdEn=0; _nop_();LCD_Wait();/设置显示模式*#define LCD_SHOW 0x04 /显示开#define LCD_HIDE 0x00 /显

21、示关 #define LCD_CURSOR 0x02 /显示光标#define LCD_NO_CURSOR 0x00 /无光标 #define LCD_FLASH 0x01 /光标闪动#define LCD_NO_FLASH 0x00 /光标不闪动void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode)LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x08|DisplayMode);/设置输入模式*#define LCD_AC_UP 0x02#define LCD_AC_DOWN 0x00 / default#define LCD_MOVE 0x01 / 画

22、面可平移#define LCD_NO_MOVE 0x00 /defaultvoid LCD_SetInput(unsigned char InputMode)27LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x04|InputMode);/移动光标或屏幕*/*#define LCD_CURSOR 0x02 #define LCD_SCREEN 0x08#define LCD_LEFT 0x00#define LCD_RIGHT 0x04void LCD_Move(unsigned char object, unsigned char direction)if(object=LCD_CURSO

23、R)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x10|direction);if(object=LCD_SCREEN)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x18|direction);*/初始化 LCD*void LCD_Initial()LcdEn=0;LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38); /8 位数据端口,2 行显示,5*7 点阵LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR); /开启显示, 无光标LCD_Write(LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREE

24、N); /清屏LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE); /AC 递增, 画面不动/*void GotoXY(unsigned char x, unsigned char y)28if(y=0)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|x);if(y=1)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|(x-0x40);void Print(unsigned char *str)while(*str!=0)LCD_Write(LCD_DATA,*str);str+;void LCD_Print(unsigned char x, unsigned

25、char y, unsigned char *str)GotoXY(x,y);Print(str);/*void LCD_LoadChar(unsigned char user8, unsigned char place)unsigned char i;LCD_Write(LCD_COMMAND,0x40|(place*8);for(i=0; i#include#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit cs1=P25; /max541 4 脚sbit cs2=P26; /tlv1549 5 脚sbit

26、clk1=P24; /max541 5 脚sbit clk2=P30; /tlv1549 7 脚sbit din1=P23; /max541 6 脚sbit din2=P27; /tlv1549 6 脚sbit fmq=P36; /蜂鸣器bit flag,model;uint num;uchar a4=0,*m=a,wei=1,i=0;unsigned char TempBuffer10;unsigned char code key_code=0xee,0xde,0xbe,0x7e,0xed,0xdd,0xbd,0x7d, 0xeb,0xdb,0xbb,0x7b,0xe7,0xd7,0xb7,

27、0x77 ;void delay(uint z) /延时程序uchar x;for(x=57;x0;x-)for(z;z0;z-);30/*uint ad_conver() /tlv1549 ad 转换模块uchar x,j,jieshou10=0;uint adata=0;cs2=0;_nop_();_nop_();_nop_();for(x=0;x10;x+)clk2=1;_nop_();_nop_();jieshoux=din2;_nop_();_nop_();clk2=0;_nop_();_nop_();for(j=0;j23;j+);cs2=1;adata=jieshou9+jieshou8*2+jieshou7*4+jieshou6*8+jieshou5*16+jieshou4*32+jieshou3*64+jieshou2*128+jieshou1*256+jieshou0*512;return adata; */uint ad_conver() /ads8320 16 位 ad 转换模块unsigned char m;