1、合肥学院第八届电子设计竞赛设计题目： 直流稳流电源（A 题） 系 别： 电子信息与电气工程系 年级专业： 2010 级电气信息类 小组成员： 胡文斌 1005074015 邓 超 1005074012 孙宏伟 1005074011 直流稳流电源1直流稳流电源摘要：本设计试题是基于单片机的一种数控电流源,与一般电流源相比具有宽范围电流输出、输入电流可预置、可步进调节输入电流、输出电流及设定电流显示等特点。它以凌阳 SPCE061A 作为核心控制器,包括电源、取样放大、A/D 和D/A 转换、键盘控制与显示等模块。可以直接通过键盘设置，修改系统的输出电流，使用方便；采用片内自带的 A/D、D/A
2、进行检测和控制，控制部分电路简单明了,连线较少,结构紧凑；电源部分由基准源扩流而成，大大提高了电源稳度和精度，电流输出较为平稳；综合测试表明，本恒流源功能较为齐全，输出电流精度较高，使用方便灵活，全面实现了题目的要求。关键字：ADC DAC 扩流 稳流 I-V 转换 目标要求一、任务设计并制作直流稳流电源。输入交流 200240V， 50Hz；输出直流电压10V。二、要求1、基本要求（1）输出电流范围：200mA1A；（2）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+5 mA； （3）纹波电流1mA；（4）自制电源。2、发挥部分（1）可设置并显示输出
3、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；（2）具有“+” 、 “-”步进调整功能，步进10mA；输出电流范围为20mA1000mA，步进 1mA；（3）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；（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 0.1+1 mA；（5）纹波电流0.2mA；直流稳流电源2（6）其他。三 总体设计方案说明D11N407D31N407D41N407 D21N407C2560pTR1(P1)OFSET=0RQ5PHASE=0
4、TTRMS=20C347uC447uD5LE-REDR21RR120RC120uT12N3054T22N3415R530RR468T32N3415U1OP1 10%RV21k 51%RL10R36k8TR1TRAN-2P2S图 3.1 设计方案电路图图 3.2 直流稳流源原理示意图 直流稳流电源3图 3.3 直流稳流电源系统原理框图预置的电流值使用键盘键入并通过单片机处理后由 DA 给出，通过 I-V 转换模块将电流信号转换为电压信号后送至压控恒流电路，电路输出电流由恒流电路中的采样电阻换算得到，同时 AD 对该电路输出电压进行采集，将电压信号换算为电流信号并与预设的电流信号进行比较，之后单片
5、机通过计算二者误差对电中电流进行调整，最终达到稳流目的。 四 设计思路：1 控制模块的选择方案采用 SPCE061A 单片机进行控制。SPCE061A 凌阳单片机具有强大功能的 16 位微控制器，它内部集成 7 路 10 位 ADC 和 2 通道 10 位 DAC，可以直接用于电流测量时的数据采集，以及数字控制输出；I/O 口资源丰富，可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制，采用 SPCE061A 单片机，能将相当一部分外围器件结合到一起，使用方便，抗干扰性能提高。2 电源模块的选择方案 因为本课题要求是：输出电流范围：200mA1A；改变负载电阻，输出电压在 10V 以内变化，可以看出输出最
6、大电流达 1A，输出最大电压达到 10V，且纹波电流要求很小，因此对电源的要求比较高，尤其体现在电源的功率和纹波电压的要求。 电源模块的选择方案有很多种，主要有两个可以实施的方案，第一个是采用三端稳压集成电路：一般的三端稳压集成块稳压效果较好，但要达到 1A 左右的电流输出，稳压块发热严重，输出电流不稳定且带负载能力不强，不能实现稳流目的，若通过并联三极管的方式达到扩流目的，会使得电路较复杂。第二个方案是采用三端稳压集成电路外接扩流管这种电路既利用了稳压集成块优秀的稳压性能，又能够有一定的电流输出，在一些高精度的线性稳压电源中被广泛采用。采用三端稳压集成电路 LM7818 驱动达林顿管 TIP
7、127， 该管最大集电极电流为 8A，纹波电压也较小，有着非常优异的性能。 综合考虑以上两种直流稳流电源4方案的优缺点，第二种方案相对来说操作更为简单一些。3 电流取样电阻的选择方案 由于输出电流通过实验仪器不方便测量，一般采用电阻两端加电压的方法，通过间接计算得到。因此在产生电流或者测量电流值时，采样电阻的选择非常重要。若采用普通电阻：在电流比较小的情况下，一般的电阻可以被用作电流测量，但本题需要测量的是电流源的输出电流，输出电流范围：200mA1A ，最大需要达到 1 A。因此即使是比较小的电阻，容易被烧毁。其实为了满足流过大电流的要求，同样可以采用大功率电阻，这样的好处是当大电流流过时不
8、会烧断，但是会引起电阻发热，导致电阻温度急剧上升，产生比较大的温度漂移。在测量电流的情况下，测量电流也会随着阻值的温度漂移而产生变化，将造成测量误差变大。综合比较，我们决定采用大功率电阻。五 单元电路设计1 I-V 转换电路数控部分主要利用 SPCE061A 单片机的 10 位 DAC 实现。SPCE061A 的 DAC 是电流型 DAC，需要对地接电阻以得到电压控制量。对地接个 1K 电阻，调节得到 03V 电压。再经过一个电压跟随器进行隔离，取出控制恒流源的控制电压值。I-V 转换电路原理图2 数模、模数转换器设计 按照课题的要求，输出电流范围在 200mA1A 之间，可以看出电路需要输出
9、的最大电流为 1A，最小步进值为 1mA。凌阳片内自带的 DAC 为 10 位，精度可以达到 1A/1024=0.001A=1mA，满足要求，所以选择直接使用凌阳内部的 DAC 作为电流源的输入端。A/D 转换电路是对恒流源电路中的采样电阻进行采样，所得到的数字信号送给单片机处理。3 压控恒流源电路设计 直流稳流电源5压控恒流源是系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高，所以选好压控恒流源电路显得特别重要。图 5.1 恒流源电路原理图该恒流源电路由比较放大器、调整管、采样电阻 Rs、负载电阻 RL四部分组成。调整管使用场效应管 IRFP46
10、0，比较放大器为 LM358，采用一个稳压二极管稳定场效应管的 Ugs，起到保护调整管的作用。LM358 为正负 12V 供电，调整管IRFP460 用独立电源+18V 供电，以满足大功率的要求。根据题目要求，输出电压不大于 10V，输出电流最大为 1000mA，所以负载电阻 RL应该在 010 之间，采样电阻 Rs 取 1。从采样电阻 Rs 的上端引入深度负反馈到比较放大器的反向输入端，采样电压也通过 ADC 输入到单片机处理；比较放大器的间向输入端与凌阳内部的 ADC 的模拟输出相连，通过 LM358 的比较放大作用以及调整管的调节作用使输出电流达到稳定。4 电源电路设计本系统对电源有较高
11、的要求。设计电源时既要保证电源的高稳定度，也要保证电源能输出大于 1A 的电流，故本系统采用三级管 TIP127 来扩流。而且在使用电源时必须充分考虑电源的效率。此电源电路采用了 7818，其输出电压值为+18V，而18V 电源的负载电流要求不低于 1A，所以采用三级管 TIP127 来扩流。另外使用 LM317 和 LM337 制作正负可调电压，并且固定电压值为12V 为放大器供电，再在 LM317 后级使用 7805 得到稳定的5V 的电压供凌阳SPCE061A 单片机和 LCD 使用。电源使用 9014 对电路进行稳流和扩流，并且可以起到过流保护的作用。六 软件设计（显示部分） 直流稳流
12、电源6软件系统的任务主要有 A/D 转换、D/A 转换、步进加减、键盘扫描、液晶显示、语音报警等功能。为了将所有任务有序的组织起来，软件系统采用前后台结构。为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序： 液晶显示子程序：显示欢迎界面，输出电流的给定值和实际测量值； 键盘处理子程序：对输出电流进行预置和步进； DAC 输出设定的电流值 进行 A/D 采样； 数据处理子程序：将 A/D 采样的数据与预设值比较，确定要送入 DAC 的调整值。 主程序流程图数控稳流源主程序流程图见图 6.1图 6.1 数控稳流源主程序流程图七 系统测试和分析1 指标测试输出电流范围的测试（见
13、表 7.1） 1直流稳流电源7预置电流/mA实测电流/mA|误差 |/mA预置电流/mA实测电流/mA|误差|/mA40 38 2 400 398 280 76 4 600 596 4160 157 3 800 796 4200 200 0 1000 995 5表 7.1 输出电流范围测试步进电流的测试（见表 7.2） 2当前电流值/mA步进 /mA 步进后的输出电流值 /mA+10 268 275 285 296 306258-10 247 237 226 216 205+10 411 428 428 439 449401-10 390 380 369 359 348表 7.2 步进电流测试
14、(10mV 步进)系统测量误差（见表 7.3） 3预置电流/mA 50 181 386 570 800输出电流/mA 50 181 383 570 796|测量误差|/mA 0 0 3 0 4表 7.3 系统测量误差输出电流稳定度测试（见表 7.4） 4负载阻值1 2.2 3.3 4.720 18 18 18 18150 150 150 150 150260 258 258 258 258预置电流值/mA输出电流值/mA直流稳流电源8480 481 481 481 481600 662 662 662 662820 819 819 820 820表 7.4 输出电流稳定度测试八 结果分析（1）
15、通过表 7.1 的测试结果可以看出此次设计的稳流电源的电流变化范围在40mA1000mA 之间，满足题目基础和发挥部分的要求。同时，通过表 7.1 的“误差”栏可以看出，电流源的预设值与输出值误差很小，满足题目中输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的 1+10 mA 的要求。（2）通过表 7.2 的测试结果可以看出，步进值可以达到设定的 10mA 步长，且比较稳定。（3）通过表 7.3 的测试结果可以看出，当输出电流为 386mA 时，|测量误差|=3mA356mA*0.1%+3mA=3.3mA，在误差范围内。当输出电流为 796mA 时，|测量误差|=4mA796mA*0.1%+3mA=3.7
16、mA ，与误差范围接近。（4）通过表 7.4 的测试结果可以看出，在电流不变的前提下改变负载电阻的阻值，电路的输出电流基本上没有变化，满足基本部分（输出电流变化的绝对值输出电流值的 1+5 mA）与发挥部分（输出电流变化的绝对值输出电流值的 0.1+1 mA）的要求。九 误差分析综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有: 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差; 电流表内阻串入回路造成的误差; 测得纹波电压时示波器造成的误差; 示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差;可以通过以下的方法去改进此电路: 减小接触点的微小电阻; 根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正; 测
17、得纹波时示波器采用手动同步; 采用更高精确度的仪器去检测;十 心得体会与总结直流稳流电源9通过这次设计实践。我学会了直流稳流电源的基本设计方法，对直流稳流电源的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对直流稳流电源的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的方案应用到实践中的时候，问题出现了，不是不能测试，就是测试的结果和要求的结果不相符合。经过解决一个个测试中出现的问题，我们对直流稳压电源的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。加深了我们对理论与实践联系的理解，促进了我们运用知识解决具体问题的综合应用能力，特别是
18、对直流稳流电源的应用、理解上升到了更深的一个层次。这门课程总的来说让我深刻地认识到自己的模电知识非常欠缺，实践能力很弱，也让我深思如何才能为我以后成功或在就业上铺就一条更平坦的道路。模电设计真的很难，一是理论知识不足，二是对实际元件不理解。这篇设计报告在理论上论证了直流电源制作的可行性，设计的直流电源可以实现题目要求：输出电流稳定、与给定值偏差较小、纹波较小可以步进调整输出电流。十一 参考文献康华光 模拟电子技术 高等教育出版社 2006 年 1 月 第五版 第十章陈昭栋 杨振萍 直流稳流电源的制作 物理实验 2005 年 3 月第 25 卷第 3 期康华光 数字电子技术高等教育出版社 2006 年 1 月 第五版51 单片机 C 语言教程 郭天祥 电子工业出版社
